科普 | 音響學基礎知識（七）：人的主觀聽覺特性

聲環境設計的目的是滿足人們對聲音的主觀要求，即想聽的聲音能聽清並且音質優美，而不需要的聲音則應降低到最低的干擾程度。但是，人對聲音的主觀要求卻是十分複雜的。要了解人們聽覺上的主觀要求，首先要了解聽覺機構與聲音影響聽覺的—些主觀因素。

一、聽覺機構

在雜訊控制和廳堂音質設計中，人耳是聲波最終的接收者。人耳可以分成三個主要部分：外耳、中耳與內耳。聲波通過人耳轉化成聽覺神經纖維中的神經脈衝信號傳到人腦中的聽覺中樞，引起聽覺。

人耳剖面示意圖

（一）外耳

外耳由耳殼與聽道構成，到耳鼓為止。外耳像個倒置傳聲的喇叭口，有聚攏聲音的作用，如果我們頭上沒有外耳，我們周圍多數的聲音會聽不到。

耳殼的作用是使聽道和聲音之間阻抗匹配，從而讓更多的聲音能進入耳道，這種匹配作用在8800Hz左右最佳，在高頻也有效，在低於400Hz時匹配作用就差了。

耳道大約25~30mm長，直徑5~7mm，共振頻率約為2000~3000Hz，因此，這是我們最敏感的頻率範圍。實際上，外耳對這一範圍的聲音有放大作用。這樣既有優點又有缺點，優點是2000~3000 Hz頻率範圍是人類語言頻率的上限，在我們發出的輔音中佔主導地位，可以幫助我們彼此交流。缺點是我們在衰老時，這一頻率範圍存在最先失去聽覺敏感性的趨勢，使交流更困難。

（二）中耳

聲波繼續前行，帶動耳鼓膜振動，進入中耳。耳鼓膜振動由中耳室空腔中三塊小骨（稱為聽骨）繼續傳遞。錘骨、砧骨和鐙骨將耳鼓膜的振動傳到卵圓窗，這三塊骨頭的作用是調整音量使其適合內二器官。也就是說，如果聲壓級很高，連接這些骨頭的肌肉使它們分開，減少進入內耳聲音的強度。

中耳的作用就是通過聽骨的運動把外耳的空氣振動和內耳中的液體運動有效地耦合起來。此外，聽骨一方面起了傳遞聲能的作用，另一方面又能限制傳至卵形窗過大的運動，起一定的保護作用。

（三）內耳

內耳的主要組成部分是耳蝸。聲音經過聽小骨傳遞到達卵圓窗，將引起卵圓窗的振動。充滿液體的螺旋形耳蝸隨後產生波動，類似於海洋的波動。耳蝸內排列著微小的、毛髮似的細胞，在液體中波動。這些毛細胞的波動，將機械能轉換成電能，並將這些電信號傳送至聽覺神經。聽覺神經將來自於全部毛細胞的電信號傳送至大腦，並在大腦中進行處理，進而理解為聲音。整個聽覺過程僅用毫秒即可完成。

（四）骨傳導

聲音除了從外耳和中耳這一途徑傳到內耳外，還可以通過顱骨的振動使內耳液體運動，這一傳導途徑叫骨傳導。

也正是這個原因，通常自己聽到自己講話的聲音與別人聽到自己講話的聲音是有差別的，自己口腔發出聲音後，有一部分低頻成分，直接通過骨傳導進入聽覺系統，因此自己聽到的聲音更加低沉，這就是為什麼聽錄音機里錄下自己的聲音好像變了一個人似的。

二、聽覺範圍與聽覺特性

（一）最高和最低的可聽頻率極限

不同的人能聽到的最高頻率範圍是變化很大的。人的最高可聽極限與所聽聲音的響度大小有關係。一般青年人可以聽到20000Hz的聲音，而中年人只能聽到12000Hz至16000Hz。可聽頻率的下限通常是20Hz，但是隨著人的衰老，可聽頻率的下限也在不斷升高，以至於中老年人對低頻聲音變得不敏感，這也是他們不再像年輕時代那樣 更加容易陶醉於重低音享受的原因之一。

人耳的聽覺範圍

（二）最小與最大的可聽聲壓級極限

人耳可接收的聲音的響度變化範圍是極大的。一般正常的青年人在中頻附近的最小可聽極限大致相當於參考壓強為2×10-5N/m2的零分貝。—個人最小可聽極限的提高意味著聽覺靈敏度的降低。

在強聲級的作用下，人耳會有不舒服以致疼痛的感覺，各個人能容忍的聲壓級上限與其雜訊暴露的經歷有關。未經過強聲級的人，極限為125dB；有經常處於強雜訊環境中經歷的人，可達135~140dB；通常，聲壓級在120dB左右，人就會感到不舒服；130dB左右耳內將有癢的感覺；達到140dB時耳內會感到疼痛；當聲壓級繼續升高，會造成耳內出血，甚至聽覺機構損壞。

人耳正常聽覺範圍

（三）最小可辯閾（差閾）

對於頻率在50~1000Hz之間的任何純音，在聲壓級超過可聽閾50dB時，人耳大約可分辨1dB的聲音壓級變化。在理想的隔聲室中，用耳機提供聲音時，在中頻範圍，人耳可察覺到0.3dB的聲音壓級變化。

當頻率約為lOOO Hz而聲壓級超過40dB時，人耳能覺察到頻率變化範圍約為0.3%；聲壓級相同，但頻率少於1000Hz時，人耳能覺察到3Hz的變化。

三、哈斯(Hass)效應

哈斯(Hass)效應反映在人耳聽覺特性的兩個方面，一是聽覺暫留，一是聲像定位。

與看電影、電視的連續圖像所利用的是人眼的視覺暫留現象，同樣，人耳也有聽覺暫留現象。人對聲音的感覺在聲音消失後會暫留一小段時間，如果到達人耳的兩個聲音的時間間隔小於50ms，那麼就不會覺得聲音是斷續的。而如果到達人耳的兩個聲音的時間間隔超過50ms，就會產生「回聲」現象，劇場聲學設計中，回聲是一種嚴重的聲缺陷。

在多聲源發聲內容相同的情況下，人耳對聲像定位的判斷，即判斷聲源的方向， 並非完全按照聲源所產生聲音的大小進行感知，而主要是根據「第一次到達」的聲音的方向來確定，即聲音方向由距離最近的聲源決定。

單聲源發聲時，房間中的聲反射可形成邏輯上的多個虛聲源，但是，直達聲總是最先到達的，因此人們聽到聲源的方向總是和發聲聲源一致。

四、掩蔽 (mask) 效應

人耳對一個聲音的聽覺靈敏度因另外一個聲音的存在而降低的現象叫掩蔽效應。身邊最明顯的現象在安靜的環境下，可以聽到鐘錶的「滴答」聲，而在吵鬧的場合，如餐館、交通幹線旁、轟鳴的機器邊等，往往很難聽到。

掩蔽效應

一個聲音高於另一個聲音lOdB，聲壓級小的聲音對聲壓級大的聲音的掩蔽效應就很小，可以忽略不計。一般說來，掩蔽的特點是頻率相近的聲音掩蔽較顯著，掩蔽聲的聲壓級越大掩蔽效果越強。低頻聲對高頻聲的掩蔽作用大，高頻聲則難於完全掩蔽低頻聲。例如，在交響樂隊中，具有高頻特性的小提琴比較容易被低頻成分大的管樂器所掩蔽。

我們也可以使用容易令人接受的聲音掩蔽那些令人煩惱的聲音。在酒店大堂中，播放的悠揚音樂聲可以掩蔽從遠處傳來的別人之間的交談聲，降低因聽到對方講話而造成的互相干擾；某居住區緊鄰繁忙的交通幹線，通過設置一噴泉，利用人們比較習慣的落水聲掩蔽交通雜訊。

五、聽覺定位（雙耳聽聞效應、方位感）

人耳的一個重要特性是能夠判斷聲源的方向和遠近，人耳確定聲源遠近的準確度較差，而確定方向相當準確。聽覺定位特性是由雙耳聽聞而得到的，由聲源發出的聲波到達兩耳，可以產生時間差和強度差。

通常情況下，當頻率高於1400Hz時，強度差起主要作用，例如夏季的蚊子在人們頭邊飛旋，發出的高頻聲波因距離不同到達兩耳的強度差異較大，因此人們非常容易聽聲定位，伸手將其拍滅；而低於1400Hz時則時間差起主要作用，例如電話鈴聲，一般在440Hz左右，因到達人耳的時間差沒有太大差異，常常使我們聽到電視內的電話鈴誤以為是家裡來了電話。

人耳對聲源方位的辨別在水平方向比豎直方向要好。在聲源處於正前方（即水平方位角0°），一個正常聽覺的人在安靜無回聲的環境中，可辨別1°~3°的方位變化；在水平0°~60°範圍內；超過60°迅速變差，但可以通過擺動頭部而大大改善。雙耳定位能力有助於人們在存在背景雜訊的情況下傾聽所注意的聲音。

結語：不同的人有不同的要求，它與人們的文化水平、生活條件以及當時的心理狀態等因素有著密切的關係，甚至還涉及人們的愛好等等。但最低的要求則是比較一致的，即對要聽的聲音希望能聽清、聽得夠響，並且優美動聽，而不好的聲音起碼是不使其干擾自己的學習、工作與休息。

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