频率、强度和响度感知

频率和强度是简单声音的两个主要物理维度，它们与音高和响度这两个感知维度之间存在不完美的映射关系。本主题涵盖了听众对频率和强度变化的辨别能力，响度随物理强度增长的方式，以及感知响度如何共同取决于频率和耳蜗能量分布。这些关系对于听力测量和助听器塑造声音的方式至关重要。

Definition

频率、强度和响度感知是研究声音的物理频率和振幅如何决定听众对其音高和响度的感知，包括检测和辨别这些量的阈值。

Scope

本主题探讨频率和强度辨别、可听范围和绝对阈值、响度随声级的增长、临界频带内的响度叠加，以及等响度曲线所表达的响度对频率的依赖性。它是关于感知测量的参考和教育材料，而非临床指导。

Core questions

• 频率或强度可检测到的最小变化是多少？
• 响度如何随物理强度的增加而增长？
• 为什么固定物理声级的某个声音在某些频率下听起来比其他频率更响？
• 能量在频率上传播如何改变感知的响度？

Key concepts

• 绝对阈值和可听范围
• 频率和强度的差阈
• 音高作为频率的感知对应物
• 响度和宋（sone）标度
• 响度级和方（phon）
• 等响度曲线
• 临界频带和响度叠加

Key theories

响度的幂律（宋）定标

响度可以用比率标度（宋标度）量化，在该标度上，感知响度近似地随声强度的幂函数增长，因此在大部分范围内，声级每增加10 dB，响度大约翻倍。

临界频带响度叠加

当声音的能量扩散到临界频带之外时，即使总能量保持不变，总响度也会增加，这表明听觉系统在由耳蜗滤波设定的频带内整合响度。

Mechanisms

频率通过基底膜上最大兴奋的位置编码，在较低频率下，通过锁相神经时间编码；这支持了精细的频率辨别。强度通过听神经纤维的放电率以及随着声级升高而招募更多纤维来传递信号，但耳蜗的主动机制将宽范围的物理声级压缩到较窄范围的神经反应中。因此，响度随强度呈压缩性增长，并在听觉滤波器中叠加，所以覆盖更多临界频带的声音比能量相同的纯音更响。由于耳蜗敏感度随频率变化，相同的物理声级会产生不同的响度，这由等响度曲线捕捉。

Clinical relevance

耳蜗性听力损失通常会降低频率选择性并使响度增长变陡，这种现象被称为响度重振，即响度在阈值以上异常快速地升高。这有助于解释为什么放大必须在恢复可听度的同时，不使中等声音变得不适地响，以及为什么助听器会应用频率整形压缩。这些要点描述了听力损失的感知后果，并非个性化的验配或治疗说明。

Evidence & guidelines

响度和等响度关系最初由Fletcher和Munson（1933）量化，现在已在ISO 226:2003中作为等响度级曲线进行国际标准化，该标准定义了方（phon）和正常听力听众的频率、声级和响度之间的参考关系。响度的宋（sone）标度源自Stevens传统中的比率定标工作，临界频带叠加则在经典心理物理学研究中有所记载。

History

Fletcher和Munson于1933年在贝尔实验室进行的测量产生了第一批系统的等响度曲线和响度级的概念。Stevens及其同事在20世纪30年代发展了响度和音高的比率定标，产生了宋（sone）和麦（mel）标度。Zwicker在20世纪中叶关于临界频带的工作将响度叠加和掩蔽与耳蜗频率分析联系起来，等响度关系随后得到完善和标准化。

Debates

响度与强度之间的关系究竟应该如何定标？

简单的幂律在很大程度上捕捉了响度增长，但该函数在阈值附近趋于平坦，并因听众和听力损失而异，因此单一指数是近似值而非精确定律。

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

强度和响度有什么区别？

强度是一个物理量，是声音携带的能量，而响度是听众感知到的主观大小。响度取决于强度，但也取决于频率、带宽和听众的听力，因此相同的强度并不总是听起来同样响。

方（phon）和宋（sone）是什么？

方（phon）是响度级的单位：如果一个声音被判断为与N分贝的1 kHz音一样响，则其响度级为N方。宋（sone）是比率标度上的响度单位，定义为宋数翻倍对应于感知响度翻倍。