聲環境設計的目的是滿足人們對聲音的主觀要求,即想聽的聲音能聽得清楚、聲音優美,而不必要的聲音應減少到最低程度的干擾。 而且,人們對聲音的主觀要求非常復雜。 要了解人的觸覺的主觀要求,首先要了解影響觸覺的觸覺機制和聲音的一些主觀誘因。
1.聽覺機構
在噪聲控制和廳堂音響設計中,人耳是聲波的最終接收器。 人耳可分為三個主要部分:額骨、中耳和鼓膜。 聲波被人耳轉化為觸覺神經纖維中的神經沖動信號,傳輸到人腦的觸覺中樞,產生觸覺。
人耳橫截面示意圖
(1) 上頜
內耳由耳罩和通向鼓膜的耳道組成。 內耳就像一個倒置的喇叭口,具有聚集聲音的功能。 如果我們身上沒有耳廓,我們周圍的大部分聲音都不會被聽到。
耳罩的作用是匹配耳道與聲音之間的阻抗,讓更多的聲音進入耳道。 這些匹配效果在左右兩側效果最好,在高頻下也有效。 高于400Hz以上匹配效果較差。
耳道長約25~30mm,半徑5~7mm,共振頻率約2000~。 因此,這是我們最敏感的頻率范圍。 實際上,喉部放大了這個范圍內的聲音。 這既有優點也有缺點。 優點是2000~頻率范圍是人類語言頻率的上限,它支配著我們發出的音節,有助于我們互相交流。 缺點是,隨著年齡的增長,這個頻率范圍往往會首先失去觸摸靈敏度,從而使溝通變得更加困難。
(2)內耳
聲波繼續向前傳播,推動耳膜振動,進入內耳。 鼓膜的振動通過內耳腔中的三塊小骨頭(稱為小骨)傳遞。 錘骨、砧骨和鐙骨將鼓膜的振動傳遞到卵圓窗,這三塊腿骨的功能是調節音量以適應內臟器官。 也就是說,如果聲壓級非常高,連接這些腿骨的胸部肌肉會導致它們分開,從而降低進入耳蝸的聲音的硬度。
內耳的功能是通過小骨的運動,有效地耦合鼻子中的空氣振動和耳蝸中的流體運動。 據悉,聽小骨一方面起到傳遞聲能的作用,另一方面可以限制卵圓窗過度運動,起到一定的保護作用。
(3)中耳
中耳的主要組成部分是內耳。 聲音通過小骨傳播并到達卵圓窗,引起卵圓窗振動。 然后,充滿液體的螺旋內耳形成波浪,類似于海洋的波浪。 內耳布滿微小的毛發狀細胞,在液體中波動。 這種毛細胞的波動將機械能轉化為電能,并將這種通信信號傳輸到觸覺神經。 觸覺神經將信號從所有毛細胞傳輸到大腦,在大腦中這些信號被處理并解釋為聲音。 整個觸覺過程只需幾微秒即可完成。
(4)骨傳導
聲音不僅從泄殖腔和內耳傳遞到耳蝸外部,而且還通過枕骨的振動來移動鼓膜液體。 這種傳導途徑稱為骨傳導。
也正是這個原因,你說話時看到的聲音和你說話時別人看到的聲音是有區別的。 當你從自己的嘴里發出聲音后,一些低頻成分通過骨傳導直接進入觸覺系統,所以你看到的聲音變得越來越粗,這就是為什么當我聽錄音機上錄制的聲音時,我似乎變成了另外一個人。
2. 聽覺范圍和觸覺特征
(1)最高和最低可聽頻率限值
不同的人所能看到的最高頻率范圍差異很大。 人類的最大可聽極限與聽到聲音的音高有關。 通常年輕人能看到聲音,但中年人只能看到。 可聽頻率的下限一般為20Hz。 但隨著人年齡的增長,可聽頻率的下限也在降低,以致中老年人對低頻聲音不敏感。 頭發容易沉迷于高音享受的原因之一。
人耳的觸覺范圍
(2) 最小和最大可聽聲壓級限值
人耳可以接收到的音調變化范圍非常大。 通常正常青少年在中頻附近的最低可聽極限大致相當于零分貝,參考浮力為2×10-5N/m2。 ——個人最低聽覺極限的提高意味著觸覺靈敏度的提高。
在強聲壓的影響下,人的耳朵會感到不舒服、腫脹。 每個人能忍受的聲壓級上限與他或她的噪聲暴露經歷有關。 沒有經歷過強聲壓的人,極限是125dB; 有時經常經歷強噪聲環境的人可達135~140dB; 一般情況下,聲壓級在120dB左右時,人們會感到不舒服; 會有癢的感覺; 當聲壓級達到140dB時,耳朵會感覺更腫; 當聲壓級繼續降低時,會導致耳朵出血,甚至損害觸覺機制。
人耳正常觸覺范圍
(3) 最小可辨別閾值(差異閾值)
對于任何頻率在50~之間的純音,當聲壓級超過可聽閾值50dB時,人耳可以粗略分辨出聲壓級1dB的變化。 在理想的隔音室中,當用麥克風提供聲音時,人耳可以察覺到中頻范圍內0.3dB的聲壓級變化。
當頻率在100dB左右,聲壓級超過40dB時,人耳可感知的頻率變化范圍約為0.3%; 當聲壓級相同,但頻率大于40dB時,人耳可感知3Hz的變化。
3.哈斯效應
哈斯效應體現在人耳觸覺特性的兩個方面,一是觸覺暫留,二是聲像定位。
正如觀看電影、電視中的連續圖像依賴于人眼的視覺暫留現象一樣,人耳也存在觸覺暫留現象。 聲音消失后,人對聲音的感知會停留很短的時間。 如果兩個聲音到達人耳的時間間隔大于50ms,那么聲音就不會被認為是間歇性的。 但如果兩個聲音到達人耳的時間間隔超過50ms,就會形成“回聲”現象。 在劇院的聲學設計中,回聲是一個嚴重的聲學缺陷。
在多個聲源具有相同聲音內容的情況下,人耳對聲像定位,即聲源方向的判斷,并不是完全根據聲源形成的聲音的大小來感知的,而是主要是根據“先到”來確定聲音的方向,即根據最近的聲源來確定聲音的方向。
當單一聲源發聲時,房間內的聲音反射可以產生邏輯上的多個虛擬聲源,而直達聲總是最先到達的,所以人們看到的聲源總是與聲源同一方向。
4.遮罩效果
人耳對一種聲音的觸覺敏感性因另一種聲音的存在而降低的現象稱為掩蔽效應。 你身邊最明顯的現象就是在安靜的環境下掛鐘發出的“滴答”聲聲音的特性學情分析,但在嘈雜的地方,比如餐館、交通要道、轟鳴的機器等聲音的特性學情分析,往往很難看到它。
掩蔽效應
如果一種聲音比另一種聲音低10dB,則聲壓級較低的聲音對聲壓級較高的聲音的掩蔽作用很小,可以忽略不計。 一般來說,掩蔽的特點是頻率相近的聲音掩蔽更明顯。 掩蔽聲的聲壓級越大,掩蔽效應越強。 低頻聲音對高頻聲音有很大的掩蔽作用,高頻聲音很難完全覆蓋低頻聲音。 例如,在交響樂團中,具有高頻特性的小吉他更容易被具有較大低頻分量的管鋼琴所掩蓋。
我們還可以用可接受的聲音來掩蓋這些令人痛苦的聲音。 在酒店大堂,播放的悠揚音樂可以掩蓋遠處其他人的談話聲,增加看到對方談話造成的相互干擾; 某住宅區毗鄰繁忙的交通要道,通過設置噴泉,利用人們更習慣的溺水聲來掩蓋交通噪音。
5.聽覺定位(雙耳聽覺效果、方位感)
人耳的一個重要特性是能否判斷聲源的方向和距離。 人耳判斷聲源距離的準確性較差,但方向相當準確。 觸覺定位特征是通過雙耳聽覺獲得的,聲源發出的聲波到達兩耳,可以形成時間差和硬度差。
一般情況下,當頻率低于該值時,硬度差異起主要作用。 例如,冬天,當蟲子在人們的頭頂盤旋時,發出的高頻聲波由于距離不同,到達兩耳時硬度差異較大,所以人們很容易聽到聲音。 當它高于時差時,時差起主要作用。 例如,手機鈴聲通常在440Hz左右。 因為到達人耳時的時間差并沒有太大的差別,所以我們經常在電視里看到電話鈴聲,誤以為是從家里打來的電話。
人耳對聲源方向的辨別能力在水平方向比在垂直方向更好。 當聲源正前方(即水平方位角為0°)時,觸覺正常的人在安靜無回聲的環境下可以辨別出1°~3°的方位變化; 水平方向0°~60°范圍內; 超過 60° 會很快變得更糟,但通過擺動背部可以大大改善。 雙耳定位可以幫助人們在背景噪音中聽到他們正在關注的聲音。
結論:
不同的人有不同的要求,這與當時人們的文化水平、生活條件和心理狀態密切相關,甚至涉及到人們的興趣愛好等。 但最低要求是比較一致的,那就是要聽到的聲音要聽得清楚、足夠響亮,但要優美,不好的聲音至少不能干擾自己的學習、工作和休息。
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