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關(guān)于tonal噪聲，你了解多少？（一）

2020-03-14 00:35:17·  來源：海德聲科 HEAD acoustics  
　
NVH技術(shù)部 昨天本期開始，我們將就tonal噪聲的概念和分析手段做一個(gè)全方位的介紹，分期推送。生活中的tonal噪聲我們的生活環(huán)境存在各種各樣的聲音。從信號(hào)能量分
生活中的tonal噪聲

我們的生活環(huán)境存在各種各樣的聲音。從信號(hào)能量分布角度來說，可以分為寬頻聲音和窄帶聲音。寬頻聲音將能量均勻地分布在比較寬的頻率范圍，比如人耳可聽到的所有頻率成分的白噪聲和粉紅噪聲；窄帶聲音就是我們常說的tonal信號(hào)，最極端的例子就是單頻純音信號(hào)。

寬頻聲音在日常生活中隨處可“聽”，比如風(fēng)雨聲、流水海浪聲等，我猜想坐在勞斯萊斯里面聽到的聲音應(yīng)該也是寬頻的吧。人耳對(duì)于寬頻聲音比較容易接受，因?yàn)樗鶗?huì)給人以穩(wěn)定、平靜的感覺。

Tonal信號(hào)我們就更熟悉了，比如家里吸塵器的聲音，電腦風(fēng)扇的聲音，消防車的聲音，還有睡覺時(shí)蚊子在耳邊嗡嗡叫的聲音等等。這種聲音容易被人耳識(shí)別，會(huì)讓人一直關(guān)注，從而產(chǎn)生警覺和緊張感，使人不舒服。
 
實(shí)際上樂器所發(fā)出來的聲音基本上也都是tonal信號(hào)。樂音有基頻和豐富的諧波成分，所以聽起來很和諧。不過家里有學(xué)樂器的小朋友應(yīng)該都深有體會(huì)，想要余音繞梁，絕非易事。當(dāng)然，如果這個(gè)小朋友在鄰居家，那這個(gè)領(lǐng)悟一定更加痛徹心扉……

當(dāng)家電、機(jī)械、汽車等系統(tǒng)出現(xiàn)嘯叫、轟鳴、單頻純音等情況時(shí)，會(huì)讓用戶會(huì)產(chǎn)生不愉悅感，從而嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)。產(chǎn)品聲品質(zhì)的好壞已經(jīng)成為決定生活品質(zhì)的一個(gè)重要因素，因此對(duì)于tonal噪聲的研究就更顯迫切。尤其在新能源汽車領(lǐng)域，近些年最熱門的心理聲學(xué)參數(shù)可能就是與tonal噪聲相關(guān)的指標(biāo)了。

這么看來，tonal信號(hào)是不是你生活中的常客？可仔細(xì)一想，到底應(yīng)該如何定義tonal信號(hào)？嘯叫、轟鳴、音調(diào)、單頻、純音…好像這些表述都不夠精確。到底多窄才算是窄帶信號(hào)？高頻窄帶和低頻窄帶有區(qū)別嗎？聲音大小有關(guān)系嗎？頻率變化的信號(hào)還算是純音信號(hào)嗎？變化快慢有影響嗎？

 
感覺一下子一腦門官司。不過大家最近都憋得慌，估計(jì)無聊的想拆家，那我們就找些事情來消遣寂寞，說不定你豐富的知識(shí)儲(chǔ)備在不經(jīng)意間外漏，讓你立馬變成整條街（gai）最靚的仔/囡。

首先我們必須理清窄帶的概念，到底多窄才算是窄帶信號(hào)呢？在此有請(qǐng)臨界頻帶這個(gè)工具上場(chǎng)。

臨界頻帶

臨界頻帶是心理聲學(xué)的一個(gè)基本概念。大量的試驗(yàn)表明，人耳對(duì)于頻率比較接近的聲音刺激，反饋是相同的，把這些頻率合成特殊的頻率帶，叫臨界頻帶，例如表1所示。乍一看，臨界頻帶和倍頻程的概念類似，都是把一些頻率帶組合起來，頻帶的寬度也差不多，低頻包含的頻率窄，越往高頻越寬。會(huì)不會(huì)是以前的科學(xué)家比較窮，新瓶裝舊酒，起個(gè)高端的名字，發(fā)文章的時(shí)候，能多碼點(diǎn)字，多賺些稿費(fèi)？我一直有這樣的疑問……

 
表1 臨界頻帶（Fastl and Zwicker）

我們都知道，倍頻程是從音樂理論借用來的概念，用途廣泛，其頻帶寬度是呈指數(shù)增加的，而且有嚴(yán)格的界限。但是臨近頻帶則是完全從人的內(nèi)耳這個(gè)生物系統(tǒng)出發(fā)的，反映了人耳對(duì)于聲音的接受和識(shí)別的過程。

耳蝸是人耳最重要的聽覺器官之一，能把接收到的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化成生物電信號(hào)，傳輸?shù)酱竽X中識(shí)別聲音。研究發(fā)現(xiàn)，把耳蝸這個(gè)蝸牛殼拉平展開后，耳蝸不同的位置，對(duì)不同的頻率敏感性是不一樣的。高頻在耳蝸入口處更敏感，低頻則在耳蝸頂端更敏感。而且高頻所占的位置相比低頻要少一些。相應(yīng)的，高頻的分辨能力要比低頻也差一些。（耳蝸的工作原理有很多解釋，比如行波原理、時(shí)延原理等等。有些還有爭(zhēng)議，有興趣可以翻看以前的公眾號(hào)文章）。

 
那怎么才能知道人耳的頻率分辨能力到底如何呢？或許有人會(huì)問，為啥要研究頻率分辨能力，知道能聽聲音就行了唄？這個(gè)可是關(guān)鍵的問題，會(huì)影響到我們對(duì)聲音的所有感受，比如：到底頻率差別要有多少，我們才知道聽到的是兩個(gè)不同的聲音?另外這還涉及到一個(gè)所有心理聲學(xué)的基礎(chǔ)：掩蔽效應(yīng)。如果一個(gè)聲音被另一個(gè)聲音掩蓋了，雖然這個(gè)物理能量客觀存在，但是對(duì)人來說，它是不存在的。我們無法感受到這個(gè)能量，它就不會(huì)造成任何影響。所以，無論是響度，還是尖銳度，只要是涉及到心理聲學(xué)的概念，一般需先處理這個(gè)被掩蓋的能量，才能進(jìn)行分析。

因此，頻率分辨能力是非常關(guān)鍵的概念。把我們分不清的頻率成分合在一起，稱為臨界頻帶。和其他心理聲學(xué)的概念類似，這個(gè)也是以前的科學(xué)家經(jīng)過大量統(tǒng)計(jì)研究出來的。不同的科學(xué)家有不同的研究方法，所以實(shí)際上臨界頻帶也有不同的劃分方法，比如表1提到的Zwicker的24個(gè)Bark域劃分方法，還有Moore的ERB方法等。不過過程差不多，我們舉個(gè)簡(jiǎn)化的栗子：

 
如上圖所示，現(xiàn)有F1和F2兩個(gè)單頻信號(hào)，開始的時(shí)候頻率一樣（頻率差=0）。如果F1不變，F(xiàn)2逐漸變化，當(dāng)頻率差<15Hz，會(huì)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象。雖然我們無法分清楚這兩個(gè)頻率，但是能感受到一種不斷波動(dòng)的聲音，即拍頻。如果頻率差逐漸擴(kuò)大，拍頻現(xiàn)象會(huì)消失，但是我們依然無法清晰識(shí)別這兩個(gè)信號(hào)，而是產(chǎn)生粗糙度的感受。頻率差持續(xù)增加，直到粗糙感消失，這時(shí)我們可以分清楚兩個(gè)單頻信號(hào)。此時(shí)的頻率差，就是對(duì)應(yīng)F1的臨界頻帶。

需要強(qiáng)調(diào)的是，臨界頻帶并不是固定的頻率位置，這一點(diǎn)和倍頻程截然不同。臨界頻帶會(huì)自動(dòng)“聚焦”在耳蝸?zhàn)钪饕?lì)處，并以此為中心劃分。我們最常見的24個(gè)Bark域，有明確界線的劃分方法，是用來計(jì)算Zwicker響度的技術(shù)上的簡(jiǎn)化，并不是實(shí)際耳蝸的工作方式。

再舉個(gè)栗子。兩個(gè)正弦信號(hào)1050 Hz和1100 Hz處在同一個(gè)1/3倍頻程中，也處在同一個(gè)Bark中，分析結(jié)果如下圖所示。我們可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩個(gè)不同頻率的信號(hào)，如果處在統(tǒng)一1/3倍頻程中，其倍頻程的結(jié)果完全一樣，但是基于臨界頻帶概念的響度結(jié)果則有明顯的差別。所以，臨界頻帶和倍頻程是不同的分析方式，科學(xué)家想出來的概念并不是“空談”。

 
以上關(guān)于臨界頻帶的介紹僅是從通俗角度去說明，以便大家更好地理解，稍欠嚴(yán)謹(jǐn)。不過我們公眾號(hào)可是一直走“高端專業(yè)”路線的，以前曾經(jīng)發(fā)過一篇詳細(xì)介紹臨界頻帶的文章心理聲學(xué)系列-臨界頻帶，小伙伴們可以認(rèn)真學(xué)習(xí)一下，為下一堂課做準(zhǔn)備。

未完待續(xù)……
 
 
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