第07章 听觉实验 本章考点： 1. 听觉现象的测定 声音的心理特性；声音的掩蔽；听觉疲劳与适应。 2. 声音的空间定位实验 声音方向定位线索；听觉空间方向定位的实验方法。 3. 语音知觉实验 语音及其声学特点；语音知觉的声学线索和语音知觉的范畴性。

第07章 听觉实验 讲授内容： 第一节 听觉刺激 第二节 听觉现象及其测定 第三节 听觉定位 第四节 语音知觉

第一节 听觉刺激 人类几乎时刻在接受外界传来的声音（如下图）。 第一节 听觉刺激 人类几乎时刻在接受外界传来的声音（如下图）。 一些声音是人类的听觉系统感觉不到的，只有在16－20000Hz的声音人才能被感觉到，这部分的声音信息被称为声波。

一、声波的特性 纯音（pure tone） 声音可分为纯音和复合音。 定义：由单一频率组成的声音，是单纯的正弦波 (如，音叉发出的声音，见下图）。 影响因素： 频率（frequency）→ 音高（pitch，声调）（声音高低）； 振幅（强度，intensity）→ 音强（响度，loudness）（声音强弱）； 相位（phase，波形）→ 音色。

2. 复合音（complex tone） 定义：不同频率和振幅的纯音混合而成的音。 组分：任何复合音均是由多个纯音组成的。 如，下图中复合音a是由纯音1、2、3组成。

种类 按组成它的各纯音频率之间的关系分： 第一种 乐音（musical tone） 它的各纯音的频率之间是简单的整数倍关系。它在周期性振动，给人以舒适的感觉。 －基音（fundamental tone）：乐音中频率最低的纯音。 －倍音（泛音、谐音）（over tone）：乐音中是整数倍基音频率的纯音。

第二种 噪音（noise） 它的各纯音的频率之间不是简单的整数倍关系。它不在周期性振动，给人以不舒适的感觉。 －白噪音（white noise）：是噪音的一种特殊情况，它由各种频率组成，各成分之间具有同样振幅在相位上无系统关系的噪音。（因为白噪音如白光一样，把全部频率成分都结合在一起，使得人的心理感觉持续在某一恒定水平） （如后页图的心理感觉量比较）

几种声波引起的心理感觉比较 （右图是人的心理感觉量）

第三种 语音 另外，噪音也可分为以下三种： －低通噪音：只有低频组成的噪音。 －高通噪音：只有高频组成的噪音。 －带通噪音：只有一定宽度的频率组成的噪音。 它是语言的声音，由乐音和噪音组成。 其中元音是乐音，辅音是噪音。 第三种 语音

二、声音的发生与控制 信号发生器：能够发出不同频率、振幅声波的仪器。 包括音叉、音盘、高尔笛、机械（电子）振荡器等。 下页是一个机械振荡器产生正弦波的示意图，其中转轮的快慢决定波的稠密（频率），直径决定波的振幅。 控制 －信号发生器与换能器（如，耳机、扬声器）之间的联系要匹配； －各种仪器在使用前一定要校准，实验中要时刻注意仪器的测量误差。

机械振荡器的工作原理图

三、声音的测量 1. 频率 定义：它是单位时间（秒）内声音振动的周期数。 单位：赫兹（Hz）/~ /cps 1. 频率 定义：它是单位时间（秒）内声音振动的周期数。 单位：赫兹（Hz）/~ /cps 如，1000Hz/1000 ~/1000cps表示该声波在1秒内振动1000个周期。 仪器：频率计、示波器、声普仪等。 2. 强度 定义：它表示声音的能量大小，即响度的强弱，是声波振幅的一种主观属性。振幅越大，强度越大。 单位：目前通常用声强级（声压值比的对数）(分贝，decibel，dB） 来表示。 某声音的强度（dB）＝10×lg（I/I0 ） I－该声音的能量 I0 －1000Hz声音的强度阈限能量 仪器：声级计、示波器、声普仪等。

各种声音的分贝数

第二节 听觉现象及其测定 听觉现象：是外界的声波的物理刺激（物理量）进入人脑后形成的听觉感受（心理量，如音高、音强）。 第二节 听觉现象及其测定 听觉现象：是外界的声波的物理刺激（物理量）进入人脑后形成的听觉感受（心理量，如音高、音强）。 在听觉实验中，经常研究听觉刺激的物理属性（自变量，如频率）与听觉现象（因变量，如音高）之间的关系。 一般来说，一种听觉现象并不单纯由声波的某一种物理特性决定，而是由多因素决定的。

一、音高的影响因素 1. 频率 音高（pitch）又称音调，是对频率属性的反映，它是一个心理量。 它的单位是Mel。规定1000Hz、40 dB的音高为1000Mel，其它频率的音高可按右图查得。 频率是影响音高的主要因素。只有在16－10000Hz频率的声波人体才能产生音高感觉，期间随频率的增加，音高也增加（如右图）。 （Stevens & Volkman, 1940 ）

图中纵坐标是的频率改变百分数，横坐标是声音强度的改变，曲线是不同声波频率的音高等高线（equal pitch curve）。 2. 强度 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。从图中可以看出音高受强度改变影响最小的那些频率都是人耳对它们最敏感的声音，也是耳感受性最高的部分。（如下图） 图中纵坐标是的频率改变百分数，横坐标是声音强度的改变，曲线是不同声波频率的音高等高线（equal pitch curve）。

3. 刺激持续的时间 如果乐音持续的时间较短，将听不到音高。只有持续到一定时间，人才能感觉到音高的存在。 在8000Hz时，需要持续20ms人才能感觉到音高； 100 Hz时，…………30ms……………………； 1000Hz时，…………10ms……………………。 但如果刺激持续的时间过长，有时会产生适应与疲劳效应。

4. 个体差异 对音高的感觉个体差异很大。 听力丧失、受损、老化均会降低被试对音高的辨别能力。 18－29岁是听力较好的年龄段。

二、响度的影响因素 1. 强度（振幅） 强度是影响响度的主要因素。在一定范围内，响度随强度增加而增加（如右图）。 响度（loudness）是刺激的强烈程度，是对强度（振幅）属性的反映，是一个心理量。它的单位是Sone。规定1000Hz、40 dB的纯音响度为1Sone。其它强度的响度可按右图查得它与1Sone（标定点）的相对比例。 强度是影响响度的主要因素。在一定范围内，响度随强度增加而增加（如右图）。

2. 频率 等响曲线指把响度水平相同的各种频率的纯音的声压级连成的曲线。先选定一定声级的1000hz的纯音为标准声，用其他频率的纯音为比较声，由被试调节比较声的强度，直到它和标准声的响度感觉相等，于是就可以得到一组不同频率、不同强度而响度感觉相等的声音，画图即为等响曲线。 等响曲线反映出响度听觉的如下特点：响度主要是由声音的强度决定的，随声强的提高而提高；频率也在一定程度上影响到响度；不同频率的声音的响度增长率也不同，低频纯音的响度增长率较快。 图中纵坐标是声音强度，横坐标是声音频率，曲线是不同声波强度（物理强度）的等响曲线（equal loudness curve）。响度级的单位是phone

3. 刺激持续的时间 只在很短的时间内（如几十ms）听一个声音的强度与在较长时间（如300ms）内听一个声音的阈限是不同的，前者大而后者小。 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。

4. 个体差异 对响度的感觉个体差异很大。 听力丧失、受损、老化均会降低被试对响度的辨别能力。 下图是不同年龄的听力曲线。可以看出，随着增龄，对声音响度的感觉能力逐渐丧失。

三、听觉掩蔽 几个基本概念 种类 -纯音掩蔽（pure tone masking） -听觉掩蔽（auditory masking）：两个声音同时存在时，一个 声音因受到另一个声音影响而减弱的现象。 -被掩蔽音：要听的声音。 -掩蔽音： 起干扰作用的声音。 种类 -纯音掩蔽（pure tone masking） -噪音对纯音的掩蔽 -前掩蔽与后掩蔽 -其它掩蔽

1.纯音掩蔽 定义：以某个特定频率的纯音来掩蔽其它不同频率的纯音。 特点（参见下页图）： a. 掩蔽音对于频率相近声音的影响最大。 如，3500Hz掩蔽音对3000－4000Hz的影响明显大于对3000Hz以下的 影响。 b. 低频对高频的效果大于高频对低频的掩蔽效果。 如，400Hz掩蔽音对高频音的影响范围和效果相当大，而3500Hz掩蔽音对低频音的影响范围和效果就相当小。 c. 掩蔽音强度提高，掩蔽效果随之增加。 如，掩蔽音是40dB时，800Hz的纯音要达到13dB时，才能听到， …………80dB时，……………… … …60dB时，…………。

纯 音 掩 蔽 效 果 左、右图分别表示掩蔽音为400、3500Hz对0－4000Hz被掩蔽音的掩蔽效果（阈限的变化情况）。图中每条曲线上标的数字是掩蔽音的强度（dB）。

2. 噪音对纯音的掩蔽 定义：以某个特定频率的噪音来掩蔽其它纯音。 特点：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（如下图） 。 右图是一个白噪音对纯音的掩蔽结果。其中，横坐标表示纯音的频率，纵坐标表示人体对纯音的心理感觉强度（dB），而各曲线表示该噪音强度（dB）下引起的感觉阈限的变化情况。 不同强度的噪音对不同频率的纯音的掩蔽 （Egan，1965）

3. 前掩蔽与后掩蔽 定义 －前掩蔽：掩蔽声作用在前，被掩蔽声作用在后； －后掩蔽：………………后，…………………前。 特点 a. 被掩蔽声在时间（50ms内）上越接近掩蔽声，掩蔽声的强度阈值提高越大，此种掩蔽常发生在掩蔽声为40dB以上； b. 掩蔽声与被掩蔽声时间相距很短时，后掩蔽作用大于前掩蔽作用； c. 单耳作用比双耳作用显著； d. 掩蔽声强度增加，并不增加相应的掩蔽量。

4. 其它掩蔽 除了前面一些典型的掩蔽形式外，还存在很多其它的掩蔽现象。可以说，声音掩蔽随处可在，形式多样。如，当两个不同频率声音分别作用于两耳时，彼此间便会产生掩蔽效应，这种现象被称为中枢掩蔽。

四、疲劳和适应 1. 疲劳 疲劳和适应是所有感觉系统共有的特性。 定义 1. 疲劳 定义 声音的刺激强度大大超过听觉感受器的正常生理反映限度，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。 测量方法 －常以暂时阈移（temporary-threshold shift，TTS）作为听觉疲劳的指标。 －具体做法是先测定被试对某种频率声音的听觉阈值1，然后让他听一段引起疲劳的纯音（疲劳音），最后再测定他的听觉阈值2，两个阈值的改变量，即为暂时阈移。

上图是500Hz、12dB疲劳声作用3分钟后，TTS的变化情况（4K），也就是听力的恢复情况。 从中可以看出，疲劳声使得被影响声的阈值偏大，但不是简单的线性变化。

TTS的影响因素（参见下图） a.疲劳声的强度。疲劳声的强度越大，两个阈值差异越大，TTS越大。 b.疲劳声的作用时间。一般TTS按声音作用时间的对数增加。 c.疲劳声停止作用时间长短。疲劳声停止作用的时间越长，即恢复时间越长，则TTS越小（见前页图）。 d.被影响声的频率通常在高频时作用显著，而疲劳声在低频时作用显著。 右图是不同强度的疲劳声对1000Hz与1400Hz被影响声的作用趋势（TTS的变化情况）。

研究疲劳的意义 可以揭示，一个人置于噪音环境时，当噪音强度、持续时间为多少的情况下会引起听力受损或丧失。这从而可以使人们尽量避免类似的噪音损伤。

2. 适应 定义 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他是一个平衡过程。 测量方法 －常采用响度平衡法。 －具体做法是让被试一耳听一声音，听一段时间后，调整另一耳所听到的声音响度（频率可与适应声相同或不同），使之听起来与另一耳接受的适应声一样响。如果适应前两耳响度平衡而在适应后两耳却不平衡，则两个响度之差即为适应量。 特点 最大的适应发生在和适应声相同和相近的频率。

五、声音的相互作用 1. 共鸣（resonance） 听觉实验中常常遇到同时呈现两种声音的情景，这是除了注意前面所讲的一些问题外，还要注意二者的相互作用。 1. 共鸣（resonance） 共鸣：一个振动的物体产生的声波使邻近的其它物体也发生振动的现象。 例如，将两个频率相同的音叉A、B，相距数尺，用一个小锤敲击A，随即用手制止它的振动，这时却可以听到B在振动。

2. 抵消、强化与干涉 抵消：如果两个振幅相差不大、频率相同、相位相反的声波合成后，便可以相互抵消，产生寂静（如图c的两个波）。 强化：如果两个频率相同、相位一致、振幅相近的声波合成后，便可以相互强化，产生近似两倍振幅的声波（如图b的两个波）。 干涉：介于抵消和强化之间的情形（如图a的两个波）。

3. 差音（difference tone）与和音（summation） 差音：两个频率适当的纯音同时发声时，被试会听到一个音高为两个原始纯音频率之差的第三音，该音被称为差音。 和音：两个振幅大致相等，频率相差50Hz以上的纯音同时作用于听觉器官时，被试可以听到频率两原始音之和的第三音，该音被称为和音 。

第三节 听觉定位 一、听觉定位的线索 二、听觉定位的实验方法 第三节 听觉定位 听觉定位（auditory localization）：是指有机体利用听觉器官判断发声体的空间方位。 一、听觉定位的线索 二、听觉定位的实验方法

一、听觉定位的线索 有机体在进行听觉定位时，主要依靠以下三种线索： 1. 双耳的时间差（time difference） 2. 双耳的强度差（intensity difference） 3. 双耳的相位差（phase difference）

1. 双耳的时间差 人体头部近似球形，两耳间的半圆周约为27.6cm，声音到达两耳的时差的最大值（即与人体正中面成90度时）约为0.5ms。假如声源定位于正中面（如，正前方、正后方），声波同时到达两耳，时差为0。其它情况则介于0－0.5ms之间（图示如下）。听分析器正是利用这个时间上的差异，便可以确定声源的位置。

上表是不同声源（近、远处的声源）在不同偏角（0－90度）下的左两耳时差（ms）。可以看出，随着角度的增大，时差在升高。

2. 双耳的强度差 一般来说，声源很少发自人体的正中面，当其不在正中面时，近耳受到的刺激强些，远耳弱些。这样两耳之间便形成了对同一声音的强度上的差异（如下图所示）。听分析器可以便利用这个差异，来确定声源的位置。 水平面不同方位声源引起的双耳强度差 （Cohen，1969）

3. 双耳的相位差 当声波作用于有机体时，声波的振动给有机体产生了一系列正压和负压。因此，当声源不在正中面上时，它的任何瞬间，最大的正压到达两耳的时间都不同，这样两耳之间便形成了对同一声音的相位上的差异。听分析器便可以利用这个差异，来确定声源的位置。

小结 在现实生活中，前面的三种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自不同的信息，通过三种线索的协同作用，使得有机体能够正确地进行听觉定位。

二、听觉定位的实验方法 1. 条件的控制 由前面的学习可知，在一般情况下，双耳的时间差、强度差、相位差均会对实验结果造成影响。所以，在研究其中某一线索的作用时，要尽量避免其它线索的影响。 2. 方法 一般采用双耳分听技术。

3. 几个具体实验 早期的音笼实验 证明了双耳听觉对于方向定位的重要性（见Pierce，1901综述）

咔嗒声实验 用它可研究两耳时间差的阈限，即分别改变咔嗒声的时间间隔，结果发现仅仅百分之几秒的时间差异就可把声音定位于一侧（Klemm，1919；1920）。同时也证实了时间因素是定位的主要因素（Hornbostel, et al. 1920）。 连续乐音实验 野外的乐音定位

第四节 语音知觉 一、语音及其声学特点 二、语音知觉实验 三、语音知觉的范畴性

一、语音及其声学特点 语音的成分：元音、辅音、声调（在汉语中）等。 语音的要素：音调、音强、音色和音长。 为了了解这些要素的具体含义，让我们回顾一下前面讲的一些内容，从中可以看出，音调、音强、音色的含义。另外，音长是指声音的长短。 回顾内容 频率（frequency）→ 音高（pitch，声调）（声音高低）； 振幅（强度，intensity）→ 音强（响度，loudness）（声音强弱）； 相位（phase，波形）→ 音色。

1. 对元音的分析 方法：用录音机或计算机把人的说话声所产生的振动记录下来，然后进行谐音分析，用声普仪或语图议（见下面）使一个元音的频率变成可看的东西。

共振峰：对元音的声普分析时发现，在某一个频率上振幅最大，这个最大的振幅便是共振峰。 一个元音有多个共振峰，它们分布在不同频率范围内。一般来说，不同的元音有各自的共振峰，2－3个共振峰便可以决定该元音的音色。 汉语的特点 元音在汉语音节中占优势。

2. 对辅音的分析 方法：同于对元音的分析。 辅音分为清辅音和浊辅音 － 发清辅音时，声道比较畅通无阻；发浊辅音时，则声道作不同程度的紧缩。 －清辅音是非周期性的，有连续的声普；浊辅音类似低频元音，具有线性频谱，但在高频，它象清辅音一样，有一段连续频谱。

3. 语音四要素 声调：在汉语中，是指阴、阳、上、去四声。它是发声时声带振动基频作高低变化产出的。 普通话的阴、阳、上、去四声是基频变化的四种不同模式。就共振峰来说，阴平和去声偏前，阳平偏后，上声一般有两个。 音高：声音的高低情况，主要决定于语音的频率。 一般情况下，音高：儿童>女性>男性。 音强：声音的强弱，影响音强的主要因素是振幅。 在其它条件相同的情况下，开而低的元音比闭而高的元音听起来更响。高音和长音的响度大一些。

音长：声音持续的长短。 下图是不同音节及其元音、辅音的音长

4. 语音的统计学特性 声母的出现率 韵母的出现率 声调的出现率 不同音节数词的出现率

二、语音知觉实验 清晰度 编制一组无意义音素，让一组审音者听记是什么音，统计其错误率。该错误率便是清晰度指标。 可懂度 让审音者听记一组有意义的词句，统计其误差。如听对50％者，其可懂度便为50％。

三、语音知觉的范畴性 语音知觉的范畴性 它是指当一语音的声学参量沿着整个范围变动时，不达到一定数值，听者的反应就都在一个范畴内。 例如， 在浊塞音的实验中，当其降低到1500Hz时，大量的反应是b； 1500－2000Hz时，………………d； >2000Hz时， ……………… g.。 音位界 它是指反应由一个范畴到另一个范畴的转折点。

思考题 声波的基本特征 音高如何随强度的变化而改变（等高线） 响度与频率的关系如何（等响线） 暂时阈移及影响因素 听觉掩蔽的规律 人如何进行听觉定位的？