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在心理学中,我们根据实验研究,规定音高的单位为(mel),确定1000的音高为10O0赫(声压级为40分贝)的声音刺激的主观感觉。
(三)振幅和响度
响度(或音强)(loudness)是声波振幅的一种主观属性,它是由声波的振幅所引起,振幅越大则响度越大。
声波造成的压力变化用分贝(decibel,简称dB)量来测量。
分贝量表是一种对数量表,它将人所能感受的巨大范围的振幅变化值压缩在较小的范围内(见表7-2)。
响度是振幅的一种主观属性,它主要与声波的振幅有关,但同样亦受频率的影响。
测量声音响度的国际标准单位是(sone),一个为40分贝时所听到的1000赫的音调的响度。
(四)波形和音色
音色(timbre)是声波波形的一种主观属性,也就是指我们听到声音在波形上的差异。
声波的类型是多种多样的,一般可分为纯音和复合音两大类。
1.纯音
根据测听器的分析,波形呈正弦曲线的声音叫纯音(Puretone),如音叉的声音和用音频信号发生器发出的声音。
2.复合音
复合音(complextone)乃是不同频率和振幅的纯音相混合而成的音,按组成它的各纯音频率之间的不同关系可分为乐音和噪音两种:
(1)乐音具有周期性的振动,给人以舒适的感觉:
乐音(musicaltone)乃是波形呈周期性变化的声音。
乐音除包括一个频率最低、振幅最大的基音外,还包括许多与基音成整倍数的较高频率的倍音(又叫泛音或谐音)(over-tone)。
基音(fundamentaltone)是复合音中频率最低、振幅最大的成分。
(2)噪音(noise)具有非周期性的特征,组成它的各纯音频率之间没有整倍数的关系
噪音也有它的实用价值,如临床上常用一种混合的噪音去掩蔽对侧耳的听力来测量被测耳的听力。
这种噪声又称白噪声(whitenoise),它是由各种频率组成,各成分之间具有同样振幅在相位上无系统关系的非周期性复合音,因为白噪声像白光一样,把全部频率成分都结合在一起(见图7-7)。
应当指出乐音和噪音只具相对意义。
(3)语音是特殊的复合音语音是由元音和辅音构成的。
元音(或母音)(vowel)是一种能连续发出的乐音。
元音是周期性的。
辅音(或子音)(consonant)是由声道的封闭或开放而发出的语音,包括塞音、擦音、流音、鼻音等,它主要是不能连续发出的短促的噪音。
元音与辅音合成汉语音节。
特殊的语音(如汉语)还带有声调。
(五)声波的相互作用
一个声波同时与另一个声波相遇或与邻近的物体发生作用会产生声波的相互作用现象,下面介绍常见的声波相互作用现象。
1.共鸣
一个振动的物体产生的声波使邻近的其他物体也发生振动的现象,叫做共鸣(或和振)(resonance)。
起共鸣的振动叫受迫振动。
2.强化与干涉
二个声波间的相互作用,受声波的特征所制约。
当两个振幅相差不大、频率相同、相位相反的声波合成后便相互抵消产生寂静,参见图7-8(c)的情况。
如果频率相同、相位一致、振幅近似相等的二个声波合成后,便相互强化产生近似两倍振幅的声波,参见图7-8(b)的情况
3.差音与和音
差音(differencetone)是两个频率适当的纯音同时发声时,可听到一个音高为两个原始纯音频率之差的第三音。
和音(summation)是两个振幅大致相等,频率相差50赫以上的纯音同时作用于听觉器官,可以听到频率分别等于两原始音的和
差音与拍音不同,因为两音虽然是同时听到的,但当听不到拍音以后,还可以听到差音。
当听到一个比被混合的一个高频音更高的音调时,这就是和音的效果。
当然混合不同的音阶的倍音同样都可以产生差音与和音,但要把它们从总的音响效果中分辨出来是很困难的,
二、听觉实验中的各种变量
(一)自变量
下面,我们通过具体实验来看看听觉实验中的自变量。
听觉定位(或声源定位)(auditorylocalization)是听觉的方向定位。
图7-10是用声笼法来研究听觉定位的装置。
实验中,主试将被试双眼蒙住,以去除掉视线索的作用,然后用固定器固定好被试头部位置,防止实验进行中双耳位置的变化。
此时,被试的头部周围有三个圆环,一个是矢状切面的圆环(即图中的深色环),与矢状在顶中相交的为冠状环,而与这两个环水平相交的为横向环,这三个环是以被试的双耳联线中心为圆心的圆球上的三个圆环。
实验中,将刺激呈现器随机地在事先选择好的位置上呈现纯音、滴答声或噪音,让被试进行声音方位的判断,并作相应的记录。
听觉定位实验是一个典型的听觉实验。
在实验中,一般取不同种类的声音刺激(纯音、滴答声和噪音)和不同呈现位置作为自变量,主试通过控制刺激呈现的位置变化和呈现不同的刺激内容来探寻人类在双盲情况下依据固定的双耳进行声音刺激位置判断的规律。
声音刺激能由主试进行良好的操纵,这主要体现在以下几个方面:
(1)声音刺激的恒定性:
在声音刺激呈现的时候,只要确定了振幅、频率(如纯音),就可以使音高、响度不变,条件均等。
(2)辨别性:
我们选用自变量的声音刺激,使被试利用双耳进行方位判断成为可能。
因为根据声波传导的时间特性及几何学原理,人类可以利用双耳进行方位辨别。
(3)可控性:
对于声音刺激作自变量,主试能较严密地进行操作控制。
自变量的变化主要有两个方面,一为量的变化,如某一声音持续时间的长短;
一为质方面的变化,声音的三个特性中任一个发生变化,就会导致声音刺激的性质发生变化。
(二)因变量
就上述实验而言,根据声音刺激出现在不同的十七个位置点时,被试对声音定位的正误判断,实验者就可进行统计分析,可以得出被试对位于左右方向(即冠状面)声音刺激的辨别正确率明显高于前后方向(即矢状面);
而当分别用纯音和噪音作刺激呈现时,则噪音作自变量时的判断正确率(任何位置)都要高于纯音。
当然,对这一实验结果还可以进行深入的研究。
如我们可以对第一个结果的因变量记录进行数量化,即不仅只用正误判断,而改用偏离正确定位的角度记录,于是得到表7-3。
表中的数据反映了声音刺激偏离矢状面的角度与相应位置判断偏离的平均角度数。
从这不同的实验结果中,我们可以看出,不同的自变量变化可以产生不同的因变量变化,而相同的自变量变化亦产生不同的因变量结果。
针对任一确定的自变量,如何确定因变量和利用其变化来产生所需的各种变化,完全在于主试如何确定相应的因变量指标。
首先,主试要挑选能反映实验目的和要求的指标。
其次,主试所挑选的指标在用指导语进行解释时,要言简意赅,前后统—,使得任何一名被试能有一致的客观标准
再次,对于因变量的客观指标,要力求能进行明确的辨别和准确的测量。
(三)控制变量
听觉实验的控制变量,主要有机体变量和操作变量。
对于机体变量的控制,如被试的性别、年龄、智力等特征,可以通过实验设计的安排来进行控制,而情绪状况、健康状况等指标则可在对被试的选择时进行适当的剔选,以保证实验结果的可靠。
——隔音室。
隔音室亦称作消声室,它的主要用途是建立可以控制的自由声场,以便进行语言、听觉有关的测试、研究工作;
测定机器和其他声源的发声特性,或其他需要避免反射声、外来声干扰和模拟自由声场的工作。
第二节听觉的二个基本属性
一、声的测量
(一)声的记录
(二)声的测量
有关声学的实验室包括消音室、混响室和行波管等,以提供测量用的行波声场和混响声场。
声源可以是普通的扬声器、特殊的点声源或无指向性声源。
当需要大的声功率时,可以用气流扬声器。
计算机处理系统的高级声学测量仪器,能完成下列一些测量工作:
1.评价值的测量响度和响度级,感觉噪音级,清晰度指数,语言干扰级,噪音评价数。
2.声源的测量频谱的时间变化,声功率,指向性,效率,共振峰的跟踪,频谱特征和比较,平均和积分,求极大谱,幅值分布,相关性。
3.音质的测量混响时间,隔音量,吸音量。
4.其他的测量计权声级等。
声测量的基本仪器是声级计。
声级计是一种能对声音作出类似人耳的反应的仪器,同时,它能进行客观而可重复的声压和声级测量
二、听觉属性——音高
(一)音高量表
纯音音高和频率的相关可借助于心理物理法直接求得,即在可听范围内把音高从低到高地分成等级制成一种音高量表。
音高量表的制定,可以采用二分法和多分法两种方法。
二分法是让被试者将一可变纯音的音高调到标准音高的一半,求得相应的频率。
为便于音高量表的建立,一般指定40分贝的1000赫纯音的音高1000作为参照点。
多分法(这里以四分法为例)是给被试者一个高频声S1和一个低频声S5,让他在两者之间调出三个音,使各个相邻两音的音高距离相等,即S1-S2=S2-S3=S3-S4=S4-S5,而求得各点相应的频率值。
以上两种方法所制成的量表基本相同。
(二)音高和强度的关系
传统实验采用可连续变换强度(可听范围)的从150到12,000赫之间的11个频率的声音,使两个频率交替呈现,让被试者调节其中一个声音的强度,使两音的音高相等,结果如图7-14所示。
这个音高随强度改变的曲线又叫等高线(equalpitchcurve)。
当强度改变时,各频率的音高随之发生变化。
对于低音来说,音高随强度增加而降低,对于高音来说,音高随强度增加而升高,对于中等频率的声音来说,两种影响都有轻微程度的表现。
(三)音高和周相的关系
布鲁克、卡特沃斯基和利基特(Burck,Kotowski&
Lichte)三人试验性地建立一个人们能进行音高鉴别的持续时间极限。
他们发现,对低频纯音的区别要求有较长声音刺激呈现持续时间,在1000~4000赫范围内的中高频纯音,只要呈现时间持续10秒人们就能进行较正确的音高鉴别和归类。
布鲁克在1968年的实验中,要求受过音乐训练的被试,对突然出现的短音音高寻找相等的纯音。
实验采用匹配调整法。
结果表明,当低频音的持续时间较短时,音高会明显地被判断得偏高;
而缩减高频音的持续时间,则会使音高的报告值偏低;
在1000~4000赫(1000~3000)之间时,周相对音高的影响作用最小。
这个频率范围正好是主要语言区。
(四)音高与复合音
三、听觉属性——响度
声音响度是人耳对于声音强度反应的主观量,响度单位是(sone)。
(一)响度量表
听觉的响度,作为人的一种听觉经验,不仅与声音刺激的强度有关,也与刺激的频率有关。
当刺激的频率数保持恒定时,便可以得出一个随声音刺激的强度变化而变化的响度量表——量表。
量表的建立方法很多,主要有以下几种:
1.二分法
让被试调节一个可变音,直至其响度等于两个连续音响度的中间值。
例如,如果相邻两响度值代号为2和4,则调节后的变量值代号应为3。
2.多分法
这个方法在建立音高量表时已经用过。
被试按要求来调一个可变音的物理强度,直至它听起来与标准音响度的几分之一相当。
这样的过程持续进行,使连续的响度值分为许多段,直至主试获得足够的数据来建立主观响度量表为止。
3.单耳和双耳平衡法
这种方法的特点是,一个纯音同时传给双耳听,使其听起来是这个音单独传给单耳听时响度的1/2倍、1倍或2倍。
因此,如果一个被试对单耳听到的一个可变音的强度判断为双耳听到的相同频率音的响度相等,这样,我们便得到了一种相对自由的判断方法。
单耳和双耳平衡法是二分法和多分法的补充。
(二)声强的差别阈限
用心理物理学的次数法可以测定声强的差别阈限,即呈现两个声音,让听者判断哪一个较强。
有人用此法直接测量了不同频率的声音在各种感觉水平时能区分出不同响度所需要的压力变化。
(1)当感觉水平较弱(5分贝)时被试对于频率低的声音(如64赫)比对于频率高的声音(1024赫)差别感受性小得多,当频率高于2048赫时,差别感受性又逐渐减小。
(2)当感觉水平增强时差别感受性变化减少,感觉水平为60分贝时,各种频率声音的差别感受性几乎相同,并且感觉水平高比感觉水平低时,强度差别感受性大。
可见,声强的差别阈限,受到频率和强度二个属性影响。
(三)等响曲线(equalloudnesscurve)
等响曲线乃是把响度水平相同的各种频率的纯音的声压级连成的曲线。
曲线上各种频率的声音的响度感觉是相等的,所以称为等响曲线,这个等响曲线具体表明了响度级的特征。
从等响曲线上可以看出,在低强度时曲线呈V字型;
在高强度时,响度曲线趋向平化,即在相同强度时有近似的响度。
(四)响度与时间
响度与时间有关,对一个声音的响度进行估计必须要达到一定的持续时间。
在这个最短时间值以上时,随着持续时间的增加(减少),响度也会增加(降低)。
若一个人要对一个持续时间太长的音进行感知的话,则其响度也会变化。
密拉贝勒和泰钦纳等人(Mirabella&
Teichneretal.,1967)对这个问题进行了研究。
他们要求被试对一个持续几分钟的音连续进行响度调整。
结果表明,对高强度的音,为了要获得同样的主观响度,被试逐渐随时间的加长而增加音强;
而对低强度的音,则结果相反:
随时间的推移,音的知觉响度不断加大。
另外,响度在时间上还有总和作用。
当两个不同频率的音同时呈现时,其响度要比任何一个单独呈现的响度大。
第三节听觉的基本实验
一、人的听力
(一)听力图(audiogram)
听力图乃是记录听力测验的图表。
图7-19是不同比例成人的可感受耳(即正常)所听到的声音范围:
最低的一条曲线是最小可听阈,即可闻阈限(或听觉阈限)(auditorythreshold),而最上的一条则为听觉上限,即最大可听阈,亦称作痛阈。
这些曲线是通过以下技术来获得的:
被试在听功能较好的一只耳上戴上耳机,接受某个纯音刺激。
例如,一个刺激1000赫并且是在可闻阈以下的音,被试不可能听到它。
主试慢慢地提高声音的强度,当被试第一次报告“听到了”,主试记下这个听觉阈限水平值,并作为听力图上可闻阈曲线上1000赫时的一点。
然后,主试继续缓慢地提高声音强度水平,当被试第一次报告耳朵感到搔痒或产生疼痛时,主试记下这时的感觉阈限值,并将其作为痛阈点。
对于其他各个频率,重复进行同样的实验,直至可闻阈曲线与痛阈曲线完全形成为止。
曲线的下界是最小可闻阈,曲线的上界是最大可闻阈。
常人无法听到20赫以下和20,000赫以上的声音,但对3000赫的声音刺激却是最敏感的,这部分也正是人类语言频率密集的区域。
(二)听觉模式
当我们进入一个挤满人的房间,大家在相互交谈,你便会立刻感知到一定的噪音水平,但如果你自己专注地加入到交谈中,便不可能听清你交谈对象以外的其他人所说的每个字词。
但有趣的是,若有一个人在你附近同别人交谈时提到你的名字,你便会立刻听到,因为在这时这个刺激就像背景中的一个图形一样从许多交谈背景中突显出来。
这些现象称之为听觉组织(auditoryorganization)
二、听觉掩蔽现象
听觉掩蔽(auditorymasking)是两个声音同时呈现时,一个声音因受到另一个声音影响而减弱的现象。
一个可听声由于其他声音的干扰而使听觉发生困难,前者必须增加强度才能重新听到,这种阈限强度增加的过程和强度增加的量就叫声音的掩蔽效应。
要听的声音叫做被掩蔽音,起干扰作用的声音叫掩蔽音,影响掩蔽效果的有频率、强度等因素。
掩蔽现象大约有三种情况:
(一)纯音掩蔽(puretonemasking)
纯音掩蔽,即以某个定额频率的纯音来掩蔽其他不同频率的纯音,再来观察后者阈值提高的情况。
图7-20是佛莱奇尔(Fletcher,1953)的一个实验结果,从图上可以看到以下几种情况:
(1)掩蔽音强度提高,掩蔽效果随之增加,
(2)掩蔽音对于频率相近声音的影响最大。
(3)低频对高频的掩蔽效果大于高频对低频的掩蔽。
(二)噪音掩蔽
当噪音强度低的时候,各种纯音的阈限差别很大,当噪音强度提高时,各种纯音的阈限差别缩小。
(三)噪音与纯音对语言的掩蔽
噪音的掩蔽效果比纯音的掩蔽效果好,但并不是所有强度的噪音都能造成同样干扰。
噪音要相当大,大到叫人厌烦的程度,才会降低语言的清晰度或可懂度。
在纯音的掩蔽效果中,300赫比1000赫掩蔽作用大,所以要注意排除低频音对语言的最重要的频率干扰,以保证语言的清晰度。
三、听觉的疲劳和损伤以及适应
疲劳和适应是所有感觉系统所共有的特性,听觉系统在足够长和足够强的刺激作用下,其感受性将发生变化。
(一)听觉疲劳(auditoryfatigue)
听觉疲劳乃是声音刺激强度大大超过听觉感受器的正常生理反应限度,或声音刺激长时间作用于听觉器官而引起的听觉阈限暂时提高的现象。
听觉疲劳测量方法可先测定被试对某种频率声音的阈值,而后让他听一段时间引起疲劳的特定频率和强度的纯音,再测定他的听阈,所得阈值的改变量,即暂时阈移(temporary-thresholdshift,简称TTS),就是听觉疲劳的指标。
暂时阈移(TTS)的大小受多种因素的影响,主要有:
(1)暂时阈移的大小,和引起疲劳的声音停止多少时间有关。
引起疲劳的声音停止作用的时间愈长久,即恢复时间愈长久,则暂时阈移愈小。
(2)暂时阈移一般随疲劳声强度的增加而加大,当疲劳声在低强度时,阈移变化相对小些;
当疲劳声强很高时,阈移增加很快。
(3)暂时阈移和疲劳声作用时间的久暂有关,据研究,暂时阈移的大小和作用时间的对数成正比例关系。
(4)频率在4000~6000赫的高频高强度的疲劳声对暂时阈移的影响最大,不可恢复的听力损失也最为厉害。
(二)听力损伤(hearingdamage)
听力损伤乃是声强超过听觉系统正常生理反应程度的声音,持续作用于听觉器官造成的听力下降。
通常听力平均损失大于25分贝,即为听力损伤。
听力损伤主要有两种类型:
一为传导性耳聋(conductiondeafness),即由于听觉系统传导机能的缺陷所致;
另一种为神经性耳聋(或中枢性聋)(centraldeafness),即由听神经系统的损伤所致。
传导性耳聋,其实质为外耳或中耳的机能紊乱,阻止或妨碍了声波适当地传导到内耳的感受细胞。
神经性耳聋则为毛细胞及其神经联系受损伤的结果,它不同于传导性耳聋,而是一种无法恢复的听力缺失。
(三)听觉适应(auditoryadaptation)
听觉适应乃是持续的声音刺激引起听觉感受性下降的现象。
听觉系统一般对一个稳定声的感受性在最初1~2分钟内有所下降,而后很快稳定在一个水平上,听觉适应的特点就在于它是一个平衡过程。
听觉适应的研究法是响度平衡法。
以一定声强(如80分贝)的纯音作用于左耳,用另一频率相同但声级可变的声音同时作用于右耳,使两者等响(对一个正常听者,两者平衡的声级可能相等)。
然后,将右耳的声音停止,让左耳继续听3分钟。
在这一适应期后,重新使左右耳等响,这时右耳的等响级常下降,如降到60分贝,适应量为80-60=20分贝。
实验表明,高声级和低声级都可产生适应,且适应范围有随响度加大而扩大的趋势。
适应效果对频率带有选择性:
在125~1000赫之间,适应随频率增加而轻微扩大;
但在1000~8000赫,听觉系统保持恒定。
最大的适应发生在和适应声相同和相近的频率。
四、听觉定位(auditorylocalization)
听觉定位是指利用听觉器官判断发声体的空间方位。
一般说来,听觉的定向与定位不如视觉准确。
要从听觉线索中判断发声体的方向,必须利用双耳,而判断距离或深度,单耳如同双耳一样好,对声源方向的判断,主要有三种双耳(利用两只耳朵)线索:
强度差、时间差和周相差。
下面分别予以叙述。
(一)双耳强度差(intensitydifferenceofthetwoears)
当双耳离声源的距离不同时,会产生强度上的差异。
声源很少发自人体的正中面,这样它与双耳的距离之差就产生双耳声强差。
当耳轴水平面上,和前方成60°
和120°
时,双耳强度差最大。
强度差不仅和方向有关,还和波长有关。
波长愈短(即频率愈高),双耳强度差亦愈大。
这种情况类似湖面水波,短波易为障碍所阻,而长波可以顺利地绕过障碍物。
(二)双耳时间差(timedifferenceofthetwoears)
双耳时间差是辨别声音方向的重要线索。
人体头部近似球形,两耳间的半圆周约为27.6厘米,声音到达两耳的时差的最大值(即与人体正中面成90°
时)约为0.5毫秒。
假如声源位于正中面上(如正前方、正后方),声波同时到达两耳,时差为零。
其他情况则介于零和极大值之间。
听分析器正是利用这时间上的差别,来确定声源的方位。
(三)双耳周相差(phasedifferenceofthetwoears)
如果声源不在正中面上,不仅会产生双耳强度差和双耳时间差,而且还会出现双耳周相差。
这是因为声波是由一系列的正压和负压组成的,因此任何瞬间,最大的正压到达两耳的时
间不同,声调在两耳可能产生周相差。
上述三种双耳线索总是融汇在一起的,它们之间各自提供着既有联系又各不相同的信息。
例如双耳时间差和周相差既有区别又有联系,1000赫的连续音的音调每周时间为1毫秒,因此时差0.5毫秒为半周,周相差为180°
。
假如频率为500赫,同样时差为0.5毫秒,周相差就变为90°
了。
周相差的单位是度,时差的单位是毫秒。
总之,三种双耳线索的协同作用,使我们能正确地进行听觉定位。
(四)立体声听觉
立体声听觉是利用双耳强度、时间和周相差异的原理产生的。
立体声广播和立体声电影等乃是采用特定的技术建立听觉透视(auditoryperspective)的错觉效果。
这种特定的技术主要有下列三种:
双耳记录法、立体声记录以及半立体声记录。
五、可见言语
语图仪(languagepictoraldisplayapparatus)是能将复合音或语言分析为组成成分频率,显示频率-强度-时间型式变化的仪器,它能形象地图示
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