什么是响度？影响因素？

声学工程师小吴 2023年2月14日 1477浏览

我们知道，在产品的噪声评价方面，通常使用声压级或/和声功率（级），它们的确很重要，但是有时，仅使用它们是不足够的。在这，让我们举个例子：有两台不同品牌的真空吸尘器A和B，它们的线性自功率谱和Overall Level曲线如图1所示。从图中可以看出，对比这两个吸尘器的声压级或Overall level曲线，二者几近相同，反映不出明显的差异，但据消费者反眏，吸尘器A更吵闹，这就说明虽然声压级或/和声功率（级）非常重要，但在描述用户对噪声的主观感受时，它们还不足够，还需要别的参数。

图1 吸尘器A和B的频谱、Overall Level和时变响度

通过对这两个吸尘器工作时发出的噪声信号进行时变响度分析，从右下图可以看出，吸尘器A的时变响度明显大于吸尘器B，为了进一步弄清楚为什么吸尘器A更响，我们对两个噪声信号进行了频谱分析，发现二者的频谱图大致趋势相差不大，但吸尘器A存在明显的多个纯音成分，它们是倍频关系，可能是电机的基频和谐波成分。将吸尘器A这些谐波成分滤掉之后，发现滤波后的信号的时变响度与吸尘器B差不多。因此，通过响度分析，结合频谱分析，找到了吸尘器A主观感受更吵闹的原因所在。这就说明了仅用常规的声压级或/和声功率（级）分析还不够，还需要心理声学参数，如响度等。

响度考虑人耳的听觉特性，能反映出人的主观感受。因此，响度是描述人们对噪声的主观感觉的一个非常重要的心理声学参数。

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响度与响度级

响度是心理声学一个重要的参数，描述的是声音的响亮程度，表示人耳对声音的主观感受。更简单一点理解响度，响度就是音量，如通过调节播放器上的音量旋钮可以提高或降低声音的响度。其计量单位是宋（sone），定义1kHz，声压级为40dB的纯音的响度为1宋。

人耳对声音的响度感受，不仅与声压级有关，还与频率有关。相同声压级，不同频率的声音的响度感觉是不一样的，声压幅值较小的声音有可能比声压幅值较大的声音具有更强的响度感觉。为了反映出人耳依据声压和频率对声音做出的主观响度感受，上世纪20年代巴克豪森(Barkhausen)引入了响度级。巴克豪森是一位研究人员，他的名字缩写Bark被命名为一个临界频带率的单位（Bark域）。

声压有声压级，同样，响度也有响度级。响度级定义以频率1000Hz的纯音作为基准音，其他频率的声音听起来与基准音一样响，该声音的响度级就等于基准音的声压级，单位为方（phon）。例如，频率1000Hz，声压级为40dB的纯音对应的响度级为40方；声压级升高为50dB，响度级为50方；依此类推，如图2所示，1000Hz的纯音声压级为多高，其响度级则为多少。

图2 响度级等于1kHz纯音对应的声压级

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等响曲线

因为声音的频率不同，即使声压级相同，人耳对响度的主观感受也有不同。为了描述人耳对声音响度的主观感受随频率变化的特性，提出了等响曲线的概念。等响曲线表明在可听区域的不同频率下，声压级达到多少才与特定声压级的1kHz纯音的响度相同。根据这个定义，所有的等响曲线都必须经过1kHz处的声压级，而该声压级用dB值表示，与用“方”表示的等响曲线的数值相同：40方的等响曲线在1kHz处必须通过声压级40dB处。

例如，某声音的频率为250Hz，声压级为50dB，其响度与频率为1000Hz，声压级为40dB的纯音响度相同，则该声音的响度级为40方。将不同频率下的声压级与1kHz纯音的特定声压级听起来一样响的数据连成的曲线就是等响曲线。如1kHz特定声压级为40dB，那么这条等响曲线就是40方。依据这一原则，得到不同声压级下，及不同频率处的同一响度级的等响曲线如图3所示。静音阈值（可听阈值），即达到响度感知的极限时，也是一条等响曲线。由于静音阈值在1kHz处对应于3dB，而不是0dB，因此，此条等响曲线为3方。

图3 ISO 226:2003中定义的等响曲线

图3中所示的等响曲线在低响度级(如20方)的形状几乎与可听阈值平行。对于超过200Hz的频率尤其如此，在这个频率范围内，更大的响度级也平行于可听阈值。然而，在低频处，等响曲线随着量级的增加变得更平坦。50dB声压级的50Hz纯音，响度级约为20方，而110dB声压级的50Hz纯音，响度级约为100方。在低声级下，用方表示的数字与用dB表示的数字之间的差值是30，而在高量级下，差值只有10。最敏感的可听阈值区域频率范围在2~5kHz之间，对应于所有等响曲线的凹陷处。

等响曲线通常按平面正向入射声场绘制。然而，在许多情况下声场不是一个平面声场，而是类似于所谓的混响声场，在混响声场中声音来自四面八方。我们的听力系统对来自不同方向的声音具有不同的敏感度，而且方向的依赖性还取决于频率。因此，平面声场的等响曲线与混响声场的等响曲线是不同的。

等响曲线在音频信号处理、电声器件设计以及心理声学和音乐声学等领域，乃至于主观声品质评价和声设计中有着重要价值和广泛应用。对于听音设备和环境或者对听觉产生主观感受的设备，为了获得良好的听觉享受或者形成愉悦的听觉感知，需要考虑到人耳的听觉等响曲线和听觉主观反应特征进行声音设计。

根据响度和响度级的定义，响度级为40方的声音对应的响应为1宋，因此，等响曲线既可以用方来描述，也可以用宋来描述，但习惯上更偏向用响度级单位方来描述。类似描述声音的大小，人们更习惯用声压级dB，而不是声压单位Pa。如图4所示，40方的等响曲线对应于1宋的响度。对于响度评估，最简单的比率是加倍和减半。如果响度加倍，对应的响度级增加10dB，如1宋的等响曲线对应40方，2宋的等响曲线对应50方，4宋的等响曲线对应60方。

图4中给出了3个纯音的响度，红色表示2kHz，40dB，蓝色表示8kHz，51dB，绿色表示4kHz，50dB。4kHz纯音响度2倍于2kHz和8kHz。虽然8kHz，51dB的声音声压级大于4kHz，50dB的声音，但从主观感受来评价，后者更响。响度除了与声压级的大小有关之外，还与声音的频率有关。

图4 响度加倍，响度级增加10dB

相同的道理，当响度减半时，响度级降低10dB，如图5所示，如1宋的等响曲线对应40方，0.5宋的等响曲线对应30方，0.25宋的等响曲线对应20方。

图5 响度减半，响度级降低10dB

等响曲线的另一个用途是作为声音的计权曲线，A计权对应于40方的等响曲线的倒曲线，而B，C计权则对应70和100方的等响曲线的倒曲线。

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特征响度

我们知道，声音信号可能包括多个频率成分，经常用1/3倍频程带来表示，每个倍频程带内的信号对应一定大小的单个声压级，可以积分得到整个倍频程带上的总声压级。类似的道理，每个临界频带内的声音都有响度值，可以积分得到整个频带上的总响度值。另一方面，人耳可以将声音信号按临界频带分解成多个频带，每个频带对应相应的“特征频率”，大脑处理临界频带以内的声音信号不同于处理临界频带以外的声音信号。对于临界频带以内的所有声音将作为一个整体进行处理，得到这个临界带宽内的响度。因此，将每个临界带宽内的“响度”处理成一个单值响度，称为“特征响度”，对整个临界频带率上的“特征响度”积分得到的响度，称为总响度。如图6所示的特征响度曲线，横轴为Bark域，纵轴为响度单位宋。

图6 某信号的特征响度曲线

这种思路的基本假设是响度不是由谱线或声音的频谱分布直接产生的，而是在不同临界频带率下产生的特征响度的总和。这里应该指出的是，将物理频谱(量级对频率)转化为特征响度对临界频带率，会产生最佳的听觉等效心理声学值。与频率相关转换到临界频带率和与幅值相关转换到特征响度在评估声音在最终的接收器，即人类听力系统中都是至关重要的。

特征响度作为临界频带率的函数可以称为响度分布或响度模式。这种分布虽然与声音的频谱分布有关，但也考虑了激励和特征响度之间的非线性关系，以及人耳的非理想频率选择性。特征响度是一个更重要的听觉等效值，对于描述听觉中的其他效应如尖锐度非常有用。

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响度的影响因素

通过等响曲线，我们了解到，声音的频率成分和量级大小对响度有影响。即使量级相同，如果频率不同，那么，响度也不一样。除此之外，可听阈值也有影响，只有不低于可听阈值的声音，才谈响度。

之前介绍过人耳对瞬态声音没有响应，同样的道理，人耳对声音量级的突然变化也没有响应，这与人耳的听觉感知有关，我们称这个现象为时间效应。人耳出于保护听觉系统的目的，对突然变化的脉冲音没有响应。这意味着人耳对一系列的脉冲音感知的响度不如相同幅值的长脉冲音大。

如图7所示，有三个不同持续时间，但幅值和频率相同的纯音，相应的持续时间从上到下分别是10ms，50ms和300ms。从时变响度结果上可以看出，虽然幅值和频率相同，但持续时间越短的纯音响度更低。通常来说，持续时间超过200ms，这个时间效应才不起作用。而当持续时间小于200ms时，响度感知会随时间的缩短而减弱，即人耳感知的响度与纯音信号的持续时间成正比。这就是说，当我们聆听幅度变化较大的声音时，响度并不是由短暂的峰值幅度决定的，而是更多地由200ms内的平均声压级决定。

图7 幅值频率相同，但持续时间不同的声音响度不同

在图8中，左侧为声音的时域信号，右侧为对应的时变响度。在第一行中是短的脉冲音离中间这段纯音两端较远，人耳可以听到，在时变响度曲线中，也可以看到它们的存在。但在中间这个图中，绿色声音信号之间有一个短的脉冲音，在第三行，蓝色声音信号之后有一个短的脉冲音，这两个脉冲音距长的声音信号时间特别短，我们听不到这两个声音，同时时变响度曲线也没有它们，这说明发生了前掩蔽和后掩蔽现象，同时也说明时变响度考虑了时间掩蔽效应。

图8 掩蔽效应对响度的影响

参考：

[1]Hugo Fastl，Eberhard Zwicker，Psychoacoustics：Facts and Models，Springer，2006

[2]David M. Howard，Jamie A. S. Angus. Acoustics and Psychoacoustics (Fifth Edition), Routledge Press, 2017

文章来源：模态空间

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