Tần số, Cường độ và Cảm nhận Độ lớn Âm thanh

Tần số và cường độ là hai chiều vật lý chính của một âm thanh đơn giản, và chúng ánh xạ, một cách không hoàn hảo, lên các chiều cảm nhận về cao độ và độ lớn âm thanh. Chủ đề này bao gồm mức độ tinh tế mà người nghe có thể phân biệt sự thay đổi về tần số và mức độ, cách độ lớn âm thanh tăng theo cường độ vật lý, và cách độ lớn âm thanh cảm nhận được phụ thuộc đồng thời vào tần số và sự phân bố năng lượng trên ốc tai. Những mối quan hệ này là trọng tâm của đo thính lực và cách máy trợ thính định hình âm thanh.

Definition

Cảm nhận tần số, cường độ và độ lớn âm thanh là nghiên cứu về cách tần số và biên độ vật lý của âm thanh quyết định cảm nhận của người nghe về cao độ và độ lớn của nó, bao gồm các ngưỡng để phát hiện và phân biệt các đại lượng này.

Scope

Chủ đề này đề cập đến sự phân biệt tần số và cường độ, dải nghe được và ngưỡng tuyệt đối, sự tăng trưởng của độ lớn âm thanh theo mức độ, sự tổng hợp độ lớn âm thanh trên dải tới hạn, và sự phụ thuộc của độ lớn âm thanh vào tần số được thể hiện trong các đường đồng độ lớn âm thanh. Đây là tài liệu tham khảo và giáo dục về đo lường cảm nhận, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Sự thay đổi nhỏ nhất có thể phát hiện được về tần số hoặc cường độ là gì?
• Độ lớn âm thanh tăng lên như thế nào khi cường độ vật lý tăng?
• Tại sao một âm thanh có mức vật lý cố định lại có vẻ lớn hơn ở một số tần số so với các tần số khác?
• Việc phân tán năng lượng qua tần số làm thay đổi độ lớn âm thanh cảm nhận được như thế nào?

Key concepts

• Ngưỡng tuyệt đối và dải nghe được
• Ngưỡng khác biệt cho tần số và cường độ
• Cao độ như là tương quan cảm nhận của tần số
• Độ lớn âm thanh và thang đo sone
• Mức độ lớn âm thanh và phon
• Các đường đồng độ lớn âm thanh
• Dải tới hạn và sự tổng hợp độ lớn âm thanh

Key theories

Thang đo luật lũy thừa (sone) của độ lớn âm thanh

Độ lớn âm thanh có thể được định lượng trên thang đo tỷ lệ, thang đo sone, trên đó độ lớn âm thanh cảm nhận được tăng gần đúng như một hàm lũy thừa của cường độ âm thanh, sao cho độ lớn âm thanh gần như tăng gấp đôi cho mỗi 10 dB tăng mức độ trên phần lớn dải.

Tổng hợp độ lớn âm thanh dải tới hạn

Khi năng lượng của âm thanh được phân tán vượt ra ngoài một dải tới hạn, tổng độ lớn âm thanh tăng lên ngay cả khi tổng năng lượng được giữ không đổi, cho thấy hệ thống thính giác tích hợp độ lớn âm thanh trong các dải tần số được thiết lập bởi lọc ốc tai.

Mechanisms

Tần số được mã hóa bởi vị trí kích thích tối đa dọc theo màng đáy và, ở tần số thấp hơn, bởi thời gian thần kinh khóa pha; điều này hỗ trợ phân biệt tần số tinh tế. Cường độ được báo hiệu bởi tốc độ phóng điện của các sợi thần kinh thính giác và bởi sự tuyển mộ thêm các sợi khi mức độ tăng lên, nhưng cơ chế hoạt động của ốc tai nén một dải rộng các mức vật lý thành một dải hẹp hơn của phản ứng thần kinh. Do đó, độ lớn âm thanh tăng theo cường độ một cách nén và được tổng hợp qua các bộ lọc thính giác, vì vậy một âm thanh bao phủ nhiều dải tới hạn sẽ lớn hơn một âm thanh đơn sắc có cùng năng lượng. Bởi vì độ nhạy của ốc tai thay đổi theo tần số, các mức vật lý bằng nhau tạo ra độ lớn âm thanh khác nhau, được thể hiện bằng các đường đồng độ lớn âm thanh.

Clinical relevance

Mất thính lực ốc tai thường làm giảm tính chọn lọc tần số và làm tăng nhanh sự tăng trưởng độ lớn âm thanh, một hiện tượng được gọi là tuyển mộ độ lớn âm thanh (loudness recruitment) trong đó độ lớn âm thanh tăng nhanh bất thường trên ngưỡng. Điều này giúp giải thích tại sao khuếch đại phải khôi phục khả năng nghe mà không làm cho âm thanh vừa phải trở nên khó chịu, và tại sao máy trợ thính áp dụng nén định hình tần số. Những điểm này mô tả hậu quả cảm nhận của mất thính lực và không phải là hướng dẫn điều trị hoặc điều chỉnh cá nhân hóa.

Evidence & guidelines

Mối quan hệ độ lớn âm thanh và đồng độ lớn âm thanh lần đầu tiên được định lượng bởi Fletcher và Munson (1933) và hiện được tiêu chuẩn hóa quốc tế thành các đường đồng mức độ lớn âm thanh trong ISO 226:2003, định nghĩa phon và mối quan hệ tham chiếu giữa tần số, mức độ và độ lớn âm thanh cho người nghe có thính lực bình thường. Thang đo độ lớn âm thanh sone bắt nguồn từ công trình định tỷ lệ trong truyền thống Stevens, và sự tổng hợp dải tới hạn được ghi lại trong các nghiên cứu tâm lý học cổ điển.

History

Các phép đo của Fletcher và Munson năm 1933 tại Bell Laboratories đã tạo ra các đường đồng độ lớn âm thanh hệ thống đầu tiên và khái niệm mức độ lớn âm thanh. Stevens và các đồng nghiệp đã phát triển thang đo tỷ lệ độ lớn âm thanh và cao độ vào những năm 1930, tạo ra thang đo sone và mel. Công trình giữa thế kỷ của Zwicker về dải tới hạn đã liên kết sự tổng hợp độ lớn âm thanh và che lấp với phân tích tần số ốc tai, và mối quan hệ đồng độ lớn âm thanh sau đó đã được tinh chỉnh và tiêu chuẩn hóa.

Debates

Độ lớn âm thanh nên tỷ lệ chính xác như thế nào với cường độ?

Luật lũy thừa đơn giản nắm bắt sự tăng trưởng độ lớn âm thanh trên phần lớn dải, nhưng hàm số này phẳng ở gần ngưỡng và thay đổi giữa những người nghe và với mất thính lực, vì vậy một số mũ duy nhất là một xấp xỉ hơn là một luật chính xác.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa cường độ và độ lớn âm thanh là gì?

Cường độ là một đại lượng vật lý, năng lượng mang theo bởi một âm thanh, trong khi độ lớn âm thanh là độ lớn chủ quan mà người nghe cảm nhận được. Độ lớn âm thanh phụ thuộc vào cường độ nhưng cũng phụ thuộc vào tần số, băng thông và thính giác của người nghe, vì vậy các cường độ bằng nhau không phải lúc nào cũng nghe có vẻ lớn như nhau.

Phon là gì và sone là gì?

Phon là một đơn vị của mức độ lớn âm thanh: một âm thanh có mức độ lớn âm thanh là N phon nếu nó được đánh giá là lớn bằng một âm 1 kHz N decibel. Sone là một đơn vị của độ lớn âm thanh trên thang đo tỷ lệ, được định nghĩa sao cho việc tăng gấp đôi số sone tương ứng với việc tăng gấp đôi độ lớn âm thanh cảm nhận được.