什么是響度？影響因素？

聲學工程師小吳

2023年2月14日 17:43

我們知道，在產品的噪聲評價方面，通常使用聲壓級或/和聲功率（級），它們的確很重要，但是有時，僅使用它們是不足夠的。在這，讓我們舉個例子：有兩臺不同品牌的真空吸塵器A和B，它們的線性自功率譜和Overall Level曲線如圖1所示。從圖中可以看出，對比這兩個吸塵器的聲壓級或Overall level曲線，二者幾近相同，反映不出明顯的差異，但據消費者反眏，吸塵器A更吵鬧，這就說明雖然聲壓級或/和聲功率（級）非常重要，但在描述用戶對噪聲的主觀感受時，它們還不足夠，還需要別的參數。

圖1 吸塵器A和B的頻譜、Overall Level和時變響度

通過對這兩個吸塵器工作時發出的噪聲信號進行時變響度分析，從右下圖可以看出，吸塵器A的時變響度明顯大于吸塵器B，為了進一步弄清楚為什么吸塵器A更響，我們對兩個噪聲信號進行了頻譜分析，發現二者的頻譜圖大致趨勢相差不大，但吸塵器A存在明顯的多個純音成分，它們是倍頻關系，可能是電機的基頻和諧波成分。將吸塵器A這些諧波成分濾掉之后，發現濾波后的信號的時變響度與吸塵器B差不多。因此，通過響度分析，結合頻譜分析，找到了吸塵器A主觀感受更吵鬧的原因所在。這就說明了僅用常規的聲壓級或/和聲功率（級）分析還不夠，還需要心理聲學參數，如響度等。

響度考慮人耳的聽覺特性，能反映出人的主觀感受。因此，響度是描述人們對噪聲的主觀感覺的一個非常重要的心理聲學參數。

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響度與響度級

響度是心理聲學一個重要的參數，描述的是聲音的響亮程度，表示人耳對聲音的主觀感受。更簡單一點理解響度，響度就是音量，如通過調節播放器上的音量旋鈕可以提高或降低聲音的響度。其計量單位是宋（sone），定義1kHz，聲壓級為40dB的純音的響度為1宋。

人耳對聲音的響度感受，不僅與聲壓級有關，還與頻率有關。相同聲壓級，不同頻率的聲音的響度感覺是不一樣的，聲壓幅值較小的聲音有可能比聲壓幅值較大的聲音具有更強的響度感覺。為了反映出人耳依據聲壓和頻率對聲音做出的主觀響度感受，上世紀20年代巴克豪森(Barkhausen)引入了響度級。巴克豪森是一位研究人員，他的名字縮寫Bark被命名為一個臨界頻帶率的單位（Bark域）。

聲壓有聲壓級，同樣，響度也有響度級。響度級定義以頻率1000Hz的純音作為基準音，其他頻率的聲音聽起來與基準音一樣響，該聲音的響度級就等于基準音的聲壓級，單位為方（phon）。例如，頻率1000Hz，聲壓級為40dB的純音對應的響度級為40方；聲壓級升高為50dB，響度級為50方；依此類推，如圖2所示，1000Hz的純音聲壓級為多高，其響度級則為多少。

圖2 響度級等于1kHz純音對應的聲壓級

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等響曲線

因為聲音的頻率不同，即使聲壓級相同，人耳對響度的主觀感受也有不同。為了描述人耳對聲音響度的主觀感受隨頻率變化的特性，提出了等響曲線的概念。等響曲線表明在可聽區域的不同頻率下，聲壓級達到多少才與特定聲壓級的1kHz純音的響度相同。根據這個定義，所有的等響曲線都必須經過1kHz處的聲壓級，而該聲壓級用dB值表示，與用“方”表示的等響曲線的數值相同：40方的等響曲線在1kHz處必須通過聲壓級40dB處。

例如，某聲音的頻率為250Hz，聲壓級為50dB，其響度與頻率為1000Hz，聲壓級為40dB的純音響度相同，則該聲音的響度級為40方。將不同頻率下的聲壓級與1kHz純音的特定聲壓級聽起來一樣響的數據連成的曲線就是等響曲線。如1kHz特定聲壓級為40dB，那么這條等響曲線就是40方。依據這一原則，得到不同聲壓級下，及不同頻率處的同一響度級的等響曲線如圖3所示。靜音閾值（可聽閾值），即達到響度感知的極限時，也是一條等響曲線。由于靜音閾值在1kHz處對應于3dB，而不是0dB，因此，此條等響曲線為3方。

圖3 ISO 226:2003中定義的等響曲線

圖3中所示的等響曲線在低響度級(如20方)的形狀幾乎與可聽閾值平行。對于超過200Hz的頻率尤其如此，在這個頻率范圍內，更大的響度級也平行于可聽閾值。然而，在低頻處，等響曲線隨著量級的增加變得更平坦。50dB聲壓級的50Hz純音，響度級約為20方，而110dB聲壓級的50Hz純音，響度級約為100方。在低聲級下，用方表示的數字與用dB表示的數字之間的差值是30，而在高量級下，差值只有10。最敏感的可聽閾值區域頻率范圍在2~5kHz之間，對應于所有等響曲線的凹陷處。

等響曲線通常按平面正向入射聲場繪制。然而，在許多情況下聲場不是一個平面聲場，而是類似于所謂的混響聲場，在混響聲場中聲音來自四面八方。我們的聽力系統對來自不同方向的聲音具有不同的敏感度，而且方向的依賴性還取決于頻率。因此，平面聲場的等響曲線與混響聲場的等響曲線是不同的。

等響曲線在音頻信號處理、電聲器件設計以及心理聲學和音樂聲學等領域，乃至于主觀聲品質評價和聲設計中有著重要價值和廣泛應用。對于聽音設備和環境或者對聽覺產生主觀感受的設備，為了獲得良好的聽覺享受或者形成愉悅的聽覺感知，需要考慮到人耳的聽覺等響曲線和聽覺主觀反應特征進行聲音設計。

根據響度和響度級的定義，響度級為40方的聲音對應的響應為1宋，因此，等響曲線既可以用方來描述，也可以用宋來描述，但習慣上更偏向用響度級單位方來描述。類似描述聲音的大小，人們更習慣用聲壓級dB，而不是聲壓單位Pa。如圖4所示，40方的等響曲線對應于1宋的響度。對于響度評估，最簡單的比率是加倍和減半。如果響度加倍，對應的響度級增加10dB，如1宋的等響曲線對應40方，2宋的等響曲線對應50方，4宋的等響曲線對應60方。

圖4中給出了3個純音的響度，紅色表示2kHz，40dB，藍色表示8kHz，51dB，綠色表示4kHz，50dB。4kHz純音響度2倍于2kHz和8kHz。雖然8kHz，51dB的聲音聲壓級大于4kHz，50dB的聲音，但從主觀感受來評價，后者更響。響度除了與聲壓級的大小有關之外，還與聲音的頻率有關。

圖4 響度加倍，響度級增加10dB

相同的道理，當響度減半時，響度級降低10dB，如圖5所示，如1宋的等響曲線對應40方，0.5宋的等響曲線對應30方，0.25宋的等響曲線對應20方。

圖5 響度減半，響度級降低10dB

等響曲線的另一個用途是作為聲音的計權曲線，A計權對應于40方的等響曲線的倒曲線，而B，C計權則對應70和100方的等響曲線的倒曲線。

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特征響度

我們知道，聲音信號可能包括多個頻率成分，經常用1/3倍頻程帶來表示，每個倍頻程帶內的信號對應一定大小的單個聲壓級，可以積分得到整個倍頻程帶上的總聲壓級。類似的道理，每個臨界頻帶內的聲音都有響度值，可以積分得到整個頻帶上的總響度值。另一方面，人耳可以將聲音信號按臨界頻帶分解成多個頻帶，每個頻帶對應相應的“特征頻率”，大腦處理臨界頻帶以內的聲音信號不同于處理臨界頻帶以外的聲音信號。對于臨界頻帶以內的所有聲音將作為一個整體進行處理，得到這個臨界帶寬內的響度。因此，將每個臨界帶寬內的“響度”處理成一個單值響度，稱為“特征響度”，對整個臨界頻帶率上的“特征響度”積分得到的響度，稱為總響度。如圖6所示的特征響度曲線，橫軸為Bark域，縱軸為響度單位宋。

圖6 某信號的特征響度曲線

這種思路的基本假設是響度不是由譜線或聲音的頻譜分布直接產生的，而是在不同臨界頻帶率下產生的特征響度的總和。這里應該指出的是，將物理頻譜(量級對頻率)轉化為特征響度對臨界頻帶率，會產生最佳的聽覺等效心理聲學值。與頻率相關轉換到臨界頻帶率和與幅值相關轉換到特征響度在評估聲音在最終的接收器，即人類聽力系統中都是至關重要的。

特征響度作為臨界頻帶率的函數可以稱為響度分布或響度模式。這種分布雖然與聲音的頻譜分布有關，但也考慮了激勵和特征響度之間的非線性關系，以及人耳的非理想頻率選擇性。特征響度是一個更重要的聽覺等效值，對于描述聽覺中的其他效應如尖銳度非常有用。

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響度的影響因素

通過等響曲線，我們了解到，聲音的頻率成分和量級大小對響度有影響。即使量級相同，如果頻率不同，那么，響度也不一樣。除此之外，可聽閾值也有影響，只有不低于可聽閾值的聲音，才談響度。

之前介紹過人耳對瞬態聲音沒有響應，同樣的道理，人耳對聲音量級的突然變化也沒有響應，這與人耳的聽覺感知有關，我們稱這個現象為時間效應。人耳出于保護聽覺系統的目的，對突然變化的脈沖音沒有響應。這意味著人耳對一系列的脈沖音感知的響度不如相同幅值的長脈沖音大。

如圖7所示，有三個不同持續時間，但幅值和頻率相同的純音，相應的持續時間從上到下分別是10ms，50ms和300ms。從時變響度結果上可以看出，雖然幅值和頻率相同，但持續時間越短的純音響度更低。通常來說，持續時間超過200ms，這個時間效應才不起作用。而當持續時間小于200ms時，響度感知會隨時間的縮短而減弱，即人耳感知的響度與純音信號的持續時間成正比。這就是說，當我們聆聽幅度變化較大的聲音時，響度并不是由短暫的峰值幅度決定的，而是更多地由200ms內的平均聲壓級決定。

圖7 幅值頻率相同，但持續時間不同的聲音響度不同

在圖8中，左側為聲音的時域信號，右側為對應的時變響度。在第一行中是短的脈沖音離中間這段純音兩端較遠，人耳可以聽到，在時變響度曲線中，也可以看到它們的存在。但在中間這個圖中，綠色聲音信號之間有一個短的脈沖音，在第三行，藍色聲音信號之后有一個短的脈沖音，這兩個脈沖音距長的聲音信號時間特別短，我們聽不到這兩個聲音，同時時變響度曲線也沒有它們，這說明發生了前掩蔽和后掩蔽現象，同時也說明時變響度考慮了時間掩蔽效應。