听觉距离的声学因素

    1 引言

    人类是通过双耳来感知外界声音的, 除了对声音的强度、音调和音色的感觉外, 还可以判断出声源的方位和距离。关于声源方位判断机理在文献[1- 3]中均有较详细的说明, 且有一些相应的量化结果, 而人类对声源距离判断机理虽然也有不少研究, 但都只是定性的研究。在文献[1, 4- 6]中指出, 听觉距离感知的声学因素主要有: 声源的声压级、声音在远距离传播中的高频损失、人头和耳壳对声音的散射作用( 声源距离在 3 m内)以及各种反射声的特性等。笔者将对上述声音的听觉距离感知因素进行讨论。

    2 听觉距离感知因素分析

    听觉距离的声学因素归纳为: 声源因素( 声源信号的声压级以及频谱) 、传播环境因素( 传播环境引起的反射声、传播距离较长时引起的高频损失以及环境噪声) 以及听音者因素( 由听音者本身引起的声音散射和听音者对声源信号的熟悉程度), 并依次对各个因素进行分析。

    2.1 声源因素

    与听觉距离判断有关的声源因素包括声源信号的声压级和频谱。下面先讨论听觉距离与声源信号声压级的关系。

    同一个声源, 距离听音者越近, 其在听音者耳朵处产生的声压级越高( 体现为响度), 此现象在自由声场中体现得更好, 这是由于声音在自由场中传播, 其声压呈平方反比定律, 听音者离声源距离每增加一倍, 其耳朵处的声压级下降 6 dB( 不考虑听音者躯干以及头部等引起的反射及散射效应), 反应在响度上也大致下降 6 dB, 听音者可根据这种声源距离变化产生的响度变化来判断声源的相对远近。尽管如此, 响度并不能提供比如 70 dB 的声音是距听音者 10 m 处之类的绝对距离信息。响度只能提供听觉事件的相对距离, 并不一定声源声压级响, 人就感觉该声源近; 声源声压级小,人就感觉该声源远。根据声源产生的声压级大小变化来产生距离相对远近的变化在录音中已被广泛应用。图 1 给出的是一火车从远处靠近再离去的录音时间波形图(信号采用国家技术质量监督局监制的“电声产品声音质量主观评价用节目源”中“六、音响效果”的火车声)。由图 1 可以看出随着声源距离的靠近, 声音信号的电平值由小变大, 在声源离去的时候声音信号的电平值由大变小, 中间幅度相差不大的波形是火车正在经过听音者时的信号。

    人对声音响度的感觉不仅受声音声压级的影响,还与声音信号的频谱有关。图 2 为等响曲线, 可以看出, 低声压级时, 人耳几乎感觉不出声音的高音和低音部分; 高声压级时, 人感受声音的高音和低音部分逐步丰富。因此, 由于声源距离变化而产生的声音频谱变化也会影响人对声源距离的判断。声音频谱变化对声源距离的判断主要体现在以下 2 个方面: