周波数、強度、およびラウドネスの知覚

周波数と強度は単純な音の2つの主要な物理的次元であり、これらは不完全に、ピッチとラウドネスという知覚的次元に対応します。このトピックでは、聴取者が周波数とレベルの変化をどれほど細かく弁別できるか、物理的強度とともにラウドネスがどのように増大するか、そして知覚されるラウドネスが周波数と蝸牛全体へのエネルギーの広がりによってどのように共同で決定されるかを扱います。これらの関係は、オージオメトリーや補聴器が音を形成する方法の中心となります。

Definition

周波数、強度、およびラウドネスの知覚とは、音の物理的周波数と振幅が、その音のピッチの高さとラウドネスに対する聴取者の知覚をどのように決定するか、およびこれらの量を検出・弁別するための閾値を含む研究です。

Scope

このトピックは、周波数と強度の弁別、可聴範囲と絶対閾値、レベルに伴うラウドネスの増大、臨界帯域全体でのラウドネス加算、および等ラウドネス曲線で表現される周波数に対するラウドネスの依存性について扱います。これは知覚測定に関する参照および教育資料であり、臨床的ガイダンスではありません。

Core questions

• 周波数または強度における最小検出可能変化は何ですか？
• 物理的強度が増加するにつれてラウドネスはどのように増大しますか？
• なぜ一定の物理的レベルの音が、ある周波数では他の周波数よりも大きく聞こえるのですか？
• エネルギーを周波数全体に広げると、知覚されるラウドネスはどのように変化しますか？

Key concepts

• 絶対閾値と可聴範囲
• 周波数と強度の弁別閾
• 周波数の知覚的相関としてのピッチ
• ラウドネスとソーン尺度
• ラウドネスレベルとフォーン
• 等ラウドネス曲線
• 臨界帯域とラウドネス加算

Key theories

ラウドネスのべき乗則（ソーン）尺度化

ラウドネスは比率尺度であるソーン尺度で定量化でき、知覚されるラウドネスは音強度のべき乗関数としておおよそ増大し、多くの範囲でレベルが10 dB増加するごとにラウドネスがおおよそ2倍になります。

臨界帯域ラウドネス加算

音のエネルギーが臨界帯域を超えて広がると、全体のエネルギーが一定に保たれていても総ラウドネスは増加します。これは、聴覚系が蝸牛のフィルタリングによって設定された周波数帯域内でラウドネスを統合することを示しています。

Mechanisms

周波数は、基底膜に沿った最大興奮の場所によって、また低周波数では位相固定された神経タイミングによって符号化されます。これにより、微細な周波数弁別がサポートされます。強度は、聴神経線維の発火率と、レベルの上昇に伴う追加線維の動員によって信号化されますが、蝸牛の能動的なメカニズムは、広範囲の物理的レベルをより狭い範囲の神経応答に圧縮します。したがって、ラウドネスは強度に対して圧縮的に増大し、聴覚フィルター全体で加算されるため、より多くの臨界帯域をカバーする音は、同じエネルギーの純音よりもラウドネスが大きくなります。蝸牛の感度は周波数によって異なるため、同じ物理的レベルでも異なるラウドネスが生じ、これは等ラウドネス曲線によって捉えられます。

Clinical relevance

蝸牛性難聴は一般的に周波数選択性を低下させ、ラウドネスの増大を急峻にします。これはラウドネスリクルートメントとして知られる現象で、閾値を超えるとラウドネスが異常に速く上昇します。このことは、増幅が中程度の音を不快なほど大きくすることなく可聴性を回復させなければならない理由、および補聴器が周波数整形された圧縮を適用する理由を説明するのに役立ちます。これらの点は難聴の知覚的結果を記述するものであり、個別のフィッティングや治療の指示ではありません。

Evidence & guidelines

ラウドネスと等ラウドネスの関係は、FletcherとMunson（1933）によって最初に定量化され、現在ではISO 226:2003の等ラウドネスレベル曲線として国際的に標準化されており、これはフォーンと、正常聴力者における周波数、レベル、ラウドネス間の参照関係を定義しています。ラウドネスのソーン尺度は、スティーブンスの伝統における比率尺度化の研究に由来し、臨界帯域加算は古典的な精神物理学的研究で文書化されています。

History

FletcherとMunsonが1933年にベル研究所で行った測定は、最初の体系的な等ラウドネス曲線とラウドネスレベルの概念を生み出しました。スティーブンスとその同僚は1930年代にラウドネスとピッチの比率尺度化を開発し、ソーン尺度とメル尺度をもたらしました。ツヴィッカーの中世の臨界帯域に関する研究は、ラウドネス加算とマスキングを蝸牛の周波数分析に結びつけ、等ラウドネス関係は後に洗練され標準化されました。

Debates

ラウドネスは強度に対して正確にどのように尺度化されるべきか？

単純なべき乗則は多くの範囲でラウドネスの増大を捉えますが、この関数は閾値付近で平坦になり、聴取者間や難聴の有無によって異なるため、単一の指数は厳密な法則というよりも近似値です。

Key figures

• Harvey Fletcher
• Wilden Munson
• Stanley Smith Stevens
• Eberhard Zwicker

Seminal works

• fletcher-munson-1933
• stevens-1937
• zwicker-1957

Frequently asked questions

強度とラウドネスの違いは何ですか？

強度は物理量であり、音によって運ばれるエネルギーであるのに対し、ラウドネスは聴取者が知覚する主観的な大きさです。ラウドネスは強度に依存しますが、周波数、帯域幅、および聴取者の聴力にも依存するため、同じ強度でも常に同じラウドネスに聞こえるわけではありません。

フォーンとソーンとは何ですか？

フォーンはラウドネスレベルの単位です。ある音がNデシベルの1 kHzの音と同じくらい大きく聞こえると判断された場合、その音のラウドネスレベルはNフォーンです。ソーンは比率尺度上のラウドネスの単位であり、ソーンの数が2倍になると知覚されるラウドネスが2倍になるように定義されています。