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技术报告什么是音质评估2

5.响度计算的基础思想

有三种现象会影响人类感受声音的大小。

  1. 耳频特性

  2. 频谱屏蔽 (频率轴上的现象)

  3. 时间掩码 (时间轴上的现象)

计算响度时,必须考虑这三种现象。

5-1 等响度曲线 (纯音)

响度计算的一个重要因素是听觉频率特性。纯音的等响度曲线如下图所示,但如果你看一下它,你可以看到它在2 kHz到4 kHz之间具有良好的灵敏度,橙色表示,低音具有降低灵敏度的特性。

此特性也取决于声压。较高的上部数据声压具有相对平坦的特性;较低的下部数据声压具有较低的低音灵敏度。人类听觉的频率特性非常复杂。响度计算考虑了这些复杂的特性。顺便说一下,A特征曲线使用具有类似于听觉频率特征的特征的滤波器。但是,由于它在中等声压下使用与等响度曲线(图中40 phon曲线)相对应的滤波器,因此它可能与人类听到的声音大小不同。

5-2 光谱遮罩 (Spectrum Masking)

频谱屏蔽的影响也是响度的一个重要因素。掩蔽是一种现象,当您在听到一个声音时听到另一个声音时,第二个声音被第一个声音淹没 (掩蔽) 并且您听不到它。

假设您正在收听1kHz的窄带噪声。此时,上图中的阴影区域被1 kHz窄带噪声屏蔽。在此范围内添加新声音不会增加音量。另外根据声音,也有完全被淹没听不到的情况。

光谱遮罩曲线的形状取决于频率。此外,不同的声压会产生不同的曲线形状。光谱屏蔽是非线性和复杂现象。此外,由遮罩产生的曲线具有类似于带通滤波器的形状。与此滤波器的通带宽对应的范围称为临界带宽 (单位:Bark) 。

光谱屏蔽发生的原因在于耳朵的结构。下图显示了耳朵的结构。来自耳蜗的声音通过耳道,振动鼓膜和听骨链到达耳蜗。耳蜗是一种易于进行声音频率分解的器官,呈管状,其形状像蜗牛壳一样缠绕。

下图 (阴影部分) 显示了拉伸此螺旋管的横截面。

耳蜗内部被叫做基底膜的膜分为上下两部分。到达耳蜗后,振动膜沿耳蜗入口 (左侧) 向后 (右侧) 移动,使基底膜上的神经细胞兴奋。此时,某些特定部分的基底膜振动特别大。大的振动部分取决于传入声音的频率,在高频声音的情况下,它在入口附近,并且在低的情况下,它在后面是大的振幅。因此,如果声音的频率不同,兴奋的神经也会不同,因此您可以感受到高音或低音。基底膜不仅仅是膜上的某一点振动,而是呈宽度振动。因此,例如,即使您听到1 kHz的声音,与周围频率相对应的神经也会兴奋。即使此时听到频率略高于1 kHz的声音,已经兴奋的神经元也不会进一步兴奋,声音的大小听起来不会发生太大变化。这是光谱屏蔽现象。

5-3 频谱屏蔽和声音大小

为了更好地理解频谱遮罩与声音大小之间的关系,我们将在一个简化的模型中讨论遮罩曲线。

在上一页的上图中,A和B两个声音在频率轴上分开。四角形的部分因为各自的声音而产生淡淡的阴影的部分是被遮蔽的部分。声音的大小 (响度) 与这些区域成正比,因此添加B时的声音大小大约是仅存在A时的两倍。另一方面,下图显示两个声音的频率接近。被两个声音遮蔽的部分重叠。因此,即使添加B,该区域也与仅存在A的情况没有太大差别,并且声音的大小仅略微增加。由于这些声音的能量在上图和下图中都是两倍,因此在声压水平上进行比较时,它们将是相同的值。

5-4 响度计算图

ISO 532B使用图表来计算响度,以便将这些现象考虑在内。

为了模拟频率屏蔽,使用上图A所示的模型。频率掩码曲线仅考虑顶部曲线,因为在较高频率上运行的曲线比在较低频率上运行的曲线倾斜得更小,对周围环境的影响更大。为了获得响度,首先执行1/3倍频程分析,并将结果写入图表,如图所示。计算绘制曲线下方的面积,并读取与该面积对应的响度。根据声压和声场条件,ISO 532B提供10种不同的图表。使用适当的图表确定响度。

5-5 临界带宽

5.4图表考虑到频率特性和光谱屏蔽,如前所述。这里要考虑的另一件事是听觉的频率分辨率。听觉频率分辨率几乎匹配1/3倍频程带宽(是讨论声音大小的情况。音高的分辨率更精细。)。但是,低于500 Hz的音域将比1/3倍频程更宽,分辨率更粗糙。因此,在ISO 532B方法中,根据听觉分辨率添加低频频带以扩展带宽。这就是为什么ISO图表中低频垂直线之间的距离变窄,并且4个波段和3个波段一起绘制。

5-6 时间掩蔽

响度的另一个重要因素是时间掩蔽(也叫时间掩蔽、经时掩蔽。)。这是时间轴上发生的掩码。

例如,如果在一个声音停止响铃后立即发出另一个声音,则后一个声音被前一个声音刮掉并且听不到。这是因为耳朵中的膜在听到第一个声音时不会立即停止振动并逐渐衰减。此外,与膜接触的神经的兴奋性也逐渐减弱。如果下一个声音在兴奋完全减弱之前响起,您将听不到该声音。

顺便说一下,ISO标准化的响度计算方法没有考虑这种临时屏蔽的影响。因此,ISO方法的响度只能进行稳定音的评价。

5-7小野测器的声音质量评价系统

小野测器SONY 音质评估系统(SONY)的音质评估系统使用基于 ISO 532B 的方法计算响度。不过,由于 ISO 不允许对时变声音进行评估,因此除了 ISO 方法外,计算中还加入了时间掩蔽(后掩蔽)的影响。计算结果每 2 毫秒计算一次。

5-8 响度标准

响度的基准声音是纯音,声压级为40 dB,频率为1 kHz。此时,它是1 sone (响度级别为40 phone) 。
与此声音大小相同的声音为1sone,大小为2倍的声音为2sone。