临床声学基础(2)
作者：黄治物 吴展元 陶泽璋
单位：黄治物(湖北医科大学附一医院耳鼻咽喉一头颈外科 武汉430060)；吴展元(湖北医科大学附一医院耳鼻咽喉一头颈外科 武汉430060)；陶泽璋(湖北医科大学附一医院耳鼻咽喉一头颈外科 武汉430060)
关键词：
听力学及言语疾病杂志000236 【中图分类号】 Q62 【文献标识码】 C
【文章编号】 1006-7299(2000)02-0125-02
2.4 声强 声压 声强级及声压级
声音强度由振动幅度的大小决定，以能量来计算称声强，以压力表示时称声压。声强(I)与声压(P)的关系为：
(2)
, 百拇医药
式(2)：ρ—介质密度，C—声速
(1)声强 声波在单位时间内，作用在与其传递方向垂直的单位面积上的能量称声强，一般用尔格/厘米2.秒或微瓦来表示。
(2)声压 有声波时介质中的压力与静压压力之差称声压，标准单位为帕[斯卡](Pa)。
正常耳能觉察的最小声压，是使鼓膜振动幅度相当于一个氢原子直径大小的压力变化，这相当于5×109分之一的标准大气压，一个标准大气压为1巴(bar)。法定计量单位用帕(Pa)作为计量压力的单位，1 bar=105 Pa。即正常人耳听到的最小声压为20 μPa，人所听到的声音大小可相差一亿倍，用Pa来计量声音的大小就很不方便。同时按心理物理学研究结果，人耳听到同一频率而不同强度的两个声音的感觉的强弱，大致上是与这两个声音强度的对数成比例。因此，我们不用声强或声压的物理学单位来表示声音的强弱，而用两个不同强度声音能量或声压的比值的对数来表示。
, 百拇医药
(3)声强级 它是指某一声强I与参考声强I0的比值的对数(以10为底)。其单位为贝尔声强级(贝尔)
一般人对强度相差1/10贝尔的两个声音便可区别出来，因此用贝尔的十分之一来作为声强的单位则更为方便，这个单位称为分贝尔(decibel)，简称分贝(dB)。即：
——I0为参考声强，在声学中采用10-9尔格/cm2..秒为参考声强。
(4)声压级(sound pressure level,SPL) 它是指某声压P与参考声压P0两者比值的常用对数。其单位亦为贝尔或分贝。故采用声压表示声音强度时，则按以下公式计算。
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在声强测量中，声压级的参考声压规定为2×10-5Pa(20 μPa)。这样，20 μPa为0 dB SPL，痛阈(20 Pa)为120 dB SPL，普通说话声(0.02 Pa)为60 dB SPL，枪炮声可达(2 000 Pa)为160 dB SPL。
2.5 声阻抗(Acoustic impedance)
声波传播过程中，振动能量引起介质分子位移时所遇到的抵抗称声阻抗。声阻抗的单位为声欧姆。当声压为1达因/厘米2时，引起每秒1毫升介质位移所遇到的阻力即1声欧姆，声阻抗包括质量声抗即感抗、弹性声抗即容抗(又称劲度声抗)以及摩擦阻力——声阻等三种成分。
(1)质量声抗(Xm)与介质质量(M)和介质振动的频率(f)成正比。即：Xm=M.2πf。
, 百拇医药
(2)弹性声抗(劲度声抗(Xs)与介质的弹性成正比，与振动频率成反比。即Xs=S/2πf；S——弹性模量。
(3)摩擦阻力(R)，它是介质间的摩擦力或粘滞性对声波传导造成的阻力，与振动频率无关。
由此可知：a.质量效应随频率增加而增加，即频率越高，质量对声抗的作用越大；因此，可以说质量“控制”高频音的传导。b.劲度效应随频率的减小而增加，即频率愈低，劲度对声阻抗的作用越大；因此，可以说劲度“控制”低频音的传导。在特定频率声波作用下，质量因素和劲度因素互相抵消，即当2πf0M=S/2πf0时，声学系统处于最好的振动条件，这种频率称为共振频率(fo)，即
；对人耳而言，即共振频率落在语言区频率范围。通常我们把声抗中容抗部分的倒数称声顺；总声阻抗的倒数称声导纳。中耳的声阻抗以鼓膜听骨链系统在声波传导时所产生阻抗为主，因此又称中耳声阻，若测试的是鼓膜平面的声阻抗则称鼓膜声阻抗。临床用226 Hz探测音测试声顺或声纳时则以等效容积表示，且中耳声阻抗与声顺的大小因频率而异。人耳在正常功能状态下，有一定的声阻抗值，任何传音器病变，都可使之改变，这些即是临床声导抗测试的理论基础。
, 百拇医药
2.6 声音的时间特性
语言、音乐、动物鸣叫声以及自然界的许多声音都不是稳态声，是在时间上迅速变化的，声音中的大量信息正是以其瞬态调变的形式进行传送。声音的时间特性包括时程、间隔、相位、调变速度等许多方面的参量。对它们的描述和控制远比简单声音的频率、强度等参量复杂得多。但听觉系统对刺激时间特性的辨别却达到了极高的精度，为别的感觉系统所不能相比。
3 声音的物理量与听觉主观属性
声音包括两种涵义，它在物理学上是指声波，在生理学上则是指声波作用于听觉器官引起的一种主观感觉。尽管这两个涵义有所不同，但它们之间有一定的内在联系。
听觉的主观属性是属于心理学的范畴，人的感觉不象传声器(麦克风)和傅里叶分析系统那样绝对化，人类对物理量的响应通常与主观所描述的物理单位大小不一致，这就有个心理物理量的问题。人们通常把物理量和听觉主观描述作如表1对应排列。
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表1 声音物理量描述与听觉主观描述的对应关系 物理量的描述
听觉主观描述
声压
响度(loundness)
频率
音调(pitch)
频谱
音质(quality)、音色(timbre)
持续时间
音长(length)
3.1 响度及响度级
, 百拇医药
当一定强度声波作用于人耳后引起一种认识声音强弱的感觉则称为响度，响度是对所感受的声音强弱产生比例性的效果，值得注意的是：小信号的小变化和大信号的大变化一样重要。因此感觉的变化依赖于原始刺激大小的刺激变化率的改变，它不是一种线性感觉。因此，响度是主观的，它不仅决定于声音的物理强度，而且与声音的频率有关。1 000～4 000 Hz之间的频率，人耳听起来最响。响度和强度并不成线性比例。响度的主观计量单位是“宋”(sone)，以1 000 Hz纯音40 dB HL时的响度为1宋，比它响“1倍”即为2宋。纯音的响度与声强级的关系可以根据有关图表或计算方法得出。大体上说，声音增强10 dB，其响度约增加1倍。在适当地调节声音的强度时，不同频率的纯音也可以得到相同的响度。强度固定的声音信号，其响度在一定范围内随时程的增长而增大。
响度级是采用声压级来描述声音特征不能完全反映人耳的听觉特性，即用声压级来判断它对人的听觉产生一个多响的感觉是不完善的。两个频率不同、声压级相同的声音听起来可能不一样响，而频率和声压级不同的两个声音听起来可能会一样响，因此，根据听觉的这个特性，仿照声压级概念定义了声音响度级这个量，其单位是(phon)，即任何声音的响度级在数值上等于和此声音同样响的1 kHz纯音的声压级，例如某一声音(纯音或复合音)听起来和声压级为70 dB的1 kHz纯音同样响，那么该声音的响度级就是70。不同频率响度级与声压级之间的关系曲线为等响曲线(图5)。此曲线已为国际标准化组织(ISO)所推荐采用。图中每一条曲线上各点，不管它的频率和声压级是多少，听起来都一样响，即位于同一条曲线上的声音有相同的响度级。因此，从图中可以查到，1 000 Hz时的50 dB纯音有着和50 Hz时73 dB的纯音或4 000 Hz时42 dB的纯音相同的响度级(50 phon)。图6中最下面一条曲线为可听阈(声场中的可听阈——最小可听声场)，位于这条曲线上的声音是刚能使正常人听到的声音。一种正比于感觉响度的标度，即代表主观参量“宋”的标度可用图解形式表示在图6内。数学的表达为：
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图5 国际标准化组织(ISO)推荐纯音等响曲线
(3)
式(3)中P—响度级(phon) S—响度(sone)按此标度，1 sone定义为响度级40 phon的声音响度。因此，30 phon为0.5 sone,50 phon为2 sone,60 phon为 4 sone等等。
图6 响度与响度级之间的关系
3.2 音调
音调是频率的主观反映，频率的高低与音调的高低一致，但并不成简单的比例。频率不受声音强度的影响，音调可因强度不同而稍有差异。当声音在一般强度下，频率与音调的关系互相一致，但当强度增加时，低频率声音调显得更低而高频率声音调显得更高。心理声学在音调的主观计量时以“美”(mel)为单位，规定1 000 Hz纯音(40 dB SL时)的音调为1 000美。
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3.3 音质
演奏相同音符的两种不同乐器所发出的连续声两者有区别(如：相同的音调，响度和持续时间)。在音乐上的不同称为音色(timbre)，但是在语言上称为音质。音质的不同依赖于频谱，各种乐器产生的声音是由若干频率和振幅不同的纯音组成。其中，频率最低而振幅最大的称基音，其他的频率成分称泛音，按频率由低到高的顺序称为第一泛音，第二泛音，……。泛音的频率与基音成整倍数关系，由于泛音数目不同造成的声音特性为音色。乐器的基音频率决定它的音调，而泛音的频率与强度决定它的音色。
3.4 音长
人类对声音在时间上长短的感觉，以及对声音强度在时间上的变化的辨别具有很重要的意义，就音调而言音长的变化音调也有所变化。假如声刺激的持续时间是比较短的(约小于200 ms)，则与连续听到的相同声音相比，其响度降低了。持续时间愈短，声音的响度显得愈低。, 百拇医药
单位：黄治物(湖北医科大学附一医院耳鼻咽喉一头颈外科 武汉430060)；吴展元(湖北医科大学附一医院耳鼻咽喉一头颈外科 武汉430060)；陶泽璋(湖北医科大学附一医院耳鼻咽喉一头颈外科 武汉430060)
关键词：
听力学及言语疾病杂志000236 【中图分类号】 Q62 【文献标识码】 C
【文章编号】 1006-7299(2000)02-0125-02
2.4 声强 声压 声强级及声压级
声音强度由振动幅度的大小决定，以能量来计算称声强，以压力表示时称声压。声强(I)与声压(P)的关系为：
(2), 百拇医药
式(2)：ρ—介质密度，C—声速
(1)声强 声波在单位时间内，作用在与其传递方向垂直的单位面积上的能量称声强，一般用尔格/厘米2.秒或微瓦来表示。
(2)声压 有声波时介质中的压力与静压压力之差称声压，标准单位为帕[斯卡](Pa)。
正常耳能觉察的最小声压，是使鼓膜振动幅度相当于一个氢原子直径大小的压力变化，这相当于5×109分之一的标准大气压，一个标准大气压为1巴(bar)。法定计量单位用帕(Pa)作为计量压力的单位，1 bar=105 Pa。即正常人耳听到的最小声压为20 μPa，人所听到的声音大小可相差一亿倍，用Pa来计量声音的大小就很不方便。同时按心理物理学研究结果，人耳听到同一频率而不同强度的两个声音的感觉的强弱，大致上是与这两个声音强度的对数成比例。因此，我们不用声强或声压的物理学单位来表示声音的强弱，而用两个不同强度声音能量或声压的比值的对数来表示。
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(3)声强级 它是指某一声强I与参考声强I0的比值的对数(以10为底)。其单位为贝尔声强级(贝尔)
一般人对强度相差1/10贝尔的两个声音便可区别出来，因此用贝尔的十分之一来作为声强的单位则更为方便，这个单位称为分贝尔(decibel)，简称分贝(dB)。即：
——I0为参考声强，在声学中采用10-9尔格/cm2..秒为参考声强。
(4)声压级(sound pressure level,SPL) 它是指某声压P与参考声压P0两者比值的常用对数。其单位亦为贝尔或分贝。故采用声压表示声音强度时，则按以下公式计算。
, http://www.100md.com
在声强测量中，声压级的参考声压规定为2×10-5Pa(20 μPa)。这样，20 μPa为0 dB SPL，痛阈(20 Pa)为120 dB SPL，普通说话声(0.02 Pa)为60 dB SPL，枪炮声可达(2 000 Pa)为160 dB SPL。
2.5 声阻抗(Acoustic impedance)
声波传播过程中，振动能量引起介质分子位移时所遇到的抵抗称声阻抗。声阻抗的单位为声欧姆。当声压为1达因/厘米2时，引起每秒1毫升介质位移所遇到的阻力即1声欧姆，声阻抗包括质量声抗即感抗、弹性声抗即容抗(又称劲度声抗)以及摩擦阻力——声阻等三种成分。
(1)质量声抗(Xm)与介质质量(M)和介质振动的频率(f)成正比。即：Xm=M.2πf。
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(2)弹性声抗(劲度声抗(Xs)与介质的弹性成正比，与振动频率成反比。即Xs=S/2πf；S——弹性模量。
(3)摩擦阻力(R)，它是介质间的摩擦力或粘滞性对声波传导造成的阻力，与振动频率无关。
由此可知：a.质量效应随频率增加而增加，即频率越高，质量对声抗的作用越大；因此，可以说质量“控制”高频音的传导。b.劲度效应随频率的减小而增加，即频率愈低，劲度对声阻抗的作用越大；因此，可以说劲度“控制”低频音的传导。在特定频率声波作用下，质量因素和劲度因素互相抵消，即当2πf0M=S/2πf0时，声学系统处于最好的振动条件，这种频率称为共振频率(fo)，即
；对人耳而言，即共振频率落在语言区频率范围。通常我们把声抗中容抗部分的倒数称声顺；总声阻抗的倒数称声导纳。中耳的声阻抗以鼓膜听骨链系统在声波传导时所产生阻抗为主，因此又称中耳声阻，若测试的是鼓膜平面的声阻抗则称鼓膜声阻抗。临床用226 Hz探测音测试声顺或声纳时则以等效容积表示，且中耳声阻抗与声顺的大小因频率而异。人耳在正常功能状态下，有一定的声阻抗值，任何传音器病变，都可使之改变，这些即是临床声导抗测试的理论基础。, 百拇医药
2.6 声音的时间特性
语言、音乐、动物鸣叫声以及自然界的许多声音都不是稳态声，是在时间上迅速变化的，声音中的大量信息正是以其瞬态调变的形式进行传送。声音的时间特性包括时程、间隔、相位、调变速度等许多方面的参量。对它们的描述和控制远比简单声音的频率、强度等参量复杂得多。但听觉系统对刺激时间特性的辨别却达到了极高的精度，为别的感觉系统所不能相比。
3 声音的物理量与听觉主观属性
声音包括两种涵义，它在物理学上是指声波，在生理学上则是指声波作用于听觉器官引起的一种主观感觉。尽管这两个涵义有所不同，但它们之间有一定的内在联系。
听觉的主观属性是属于心理学的范畴，人的感觉不象传声器(麦克风)和傅里叶分析系统那样绝对化，人类对物理量的响应通常与主观所描述的物理单位大小不一致，这就有个心理物理量的问题。人们通常把物理量和听觉主观描述作如表1对应排列。
, http://www.100md.com
表1 声音物理量描述与听觉主观描述的对应关系 物理量的描述
听觉主观描述
声压
响度(loundness)
频率
音调(pitch)
频谱
音质(quality)、音色(timbre)
持续时间
音长(length)
3.1 响度及响度级
, 百拇医药
当一定强度声波作用于人耳后引起一种认识声音强弱的感觉则称为响度，响度是对所感受的声音强弱产生比例性的效果，值得注意的是：小信号的小变化和大信号的大变化一样重要。因此感觉的变化依赖于原始刺激大小的刺激变化率的改变，它不是一种线性感觉。因此，响度是主观的，它不仅决定于声音的物理强度，而且与声音的频率有关。1 000～4 000 Hz之间的频率，人耳听起来最响。响度和强度并不成线性比例。响度的主观计量单位是“宋”(sone)，以1 000 Hz纯音40 dB HL时的响度为1宋，比它响“1倍”即为2宋。纯音的响度与声强级的关系可以根据有关图表或计算方法得出。大体上说，声音增强10 dB，其响度约增加1倍。在适当地调节声音的强度时，不同频率的纯音也可以得到相同的响度。强度固定的声音信号，其响度在一定范围内随时程的增长而增大。
响度级是采用声压级来描述声音特征不能完全反映人耳的听觉特性，即用声压级来判断它对人的听觉产生一个多响的感觉是不完善的。两个频率不同、声压级相同的声音听起来可能不一样响，而频率和声压级不同的两个声音听起来可能会一样响，因此，根据听觉的这个特性，仿照声压级概念定义了声音响度级这个量，其单位是(phon)，即任何声音的响度级在数值上等于和此声音同样响的1 kHz纯音的声压级，例如某一声音(纯音或复合音)听起来和声压级为70 dB的1 kHz纯音同样响，那么该声音的响度级就是70。不同频率响度级与声压级之间的关系曲线为等响曲线(图5)。此曲线已为国际标准化组织(ISO)所推荐采用。图中每一条曲线上各点，不管它的频率和声压级是多少，听起来都一样响，即位于同一条曲线上的声音有相同的响度级。因此，从图中可以查到，1 000 Hz时的50 dB纯音有着和50 Hz时73 dB的纯音或4 000 Hz时42 dB的纯音相同的响度级(50 phon)。图6中最下面一条曲线为可听阈(声场中的可听阈——最小可听声场)，位于这条曲线上的声音是刚能使正常人听到的声音。一种正比于感觉响度的标度，即代表主观参量“宋”的标度可用图解形式表示在图6内。数学的表达为：
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图5 国际标准化组织(ISO)推荐纯音等响曲线
(3)式(3)中P—响度级(phon) S—响度(sone)按此标度，1 sone定义为响度级40 phon的声音响度。因此，30 phon为0.5 sone,50 phon为2 sone,60 phon为 4 sone等等。
图6 响度与响度级之间的关系
3.2 音调
音调是频率的主观反映，频率的高低与音调的高低一致，但并不成简单的比例。频率不受声音强度的影响，音调可因强度不同而稍有差异。当声音在一般强度下，频率与音调的关系互相一致，但当强度增加时，低频率声音调显得更低而高频率声音调显得更高。心理声学在音调的主观计量时以“美”(mel)为单位，规定1 000 Hz纯音(40 dB SL时)的音调为1 000美。
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3.3 音质
演奏相同音符的两种不同乐器所发出的连续声两者有区别(如：相同的音调，响度和持续时间)。在音乐上的不同称为音色(timbre)，但是在语言上称为音质。音质的不同依赖于频谱，各种乐器产生的声音是由若干频率和振幅不同的纯音组成。其中，频率最低而振幅最大的称基音，其他的频率成分称泛音，按频率由低到高的顺序称为第一泛音，第二泛音，……。泛音的频率与基音成整倍数关系，由于泛音数目不同造成的声音特性为音色。乐器的基音频率决定它的音调，而泛音的频率与强度决定它的音色。
3.4 音长
人类对声音在时间上长短的感觉，以及对声音强度在时间上的变化的辨别具有很重要的意义，就音调而言音长的变化音调也有所变化。假如声刺激的持续时间是比较短的(约小于200 ms)，则与连续听到的相同声音相比，其响度降低了。持续时间愈短，声音的响度显得愈低。, 百拇医药