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响度(英文:loudness),又称音量,是量度声音大小的知觉量,符号为 N,常用单位为宋。与声强不同,响度是受主观知觉影响的物理量。在同等声强下,不同频率的声音会造成不同的听觉感知,因此量度响度时,须对不同频率的声音作出修正。研究声音和听觉感知的关系,属心理声学的范畴。响度的常用单位是宋。另一个相关的物理量,是以对数尺度表示的响度级(loudness level),符号为 LN,常用单位为方。要注意,宋和方都不属于国际单位制

等响曲线

等响度曲线。在 3 000 Hz 左右的频率范围,较低的声压级都能造成相同的响度,代表听觉对该段频率的声音较为敏感。

对人类听觉来说,愈高的声压声强,会造成愈大的听觉感知。而在人类的可听频率范围(20 Hz 到 20 000 Hz)中,由于听觉对 3 000 Hz 左右的声音较为敏感,该段频率也能造成较大的听觉感知。

首先对声音频率和听觉感知进行量化研究的,是美国的物理学家哈维·弗莱彻。1933年,他和蒙森以纯音作实验,找出不同频率和声压的组合,使得声音能造成相同的听觉感知。他们将结果画成曲线,称为弗莱彻-蒙森曲线(Fletcher–Munson curves)。1956年,又出现另一个版本,称为罗宾逊-达森曲线(Robinson–Dadson curves )。 2003年,在更加国际化的调查研究基础之上,国际标准化组织发布了作为国际标准的ISO 226:2003,称为等响曲线(equal-loudness curves)。

等响曲线的横坐标为频率,纵坐标为声压级。在同一条曲线之上,所有频率和声压的组合,都有着一样的响度。最下方的曲线表示人类能听到的最小的声音响度,即听阈。等响曲线反映了响度听觉的许多特点:

  • 声压级愈高,响度一般也愈高。
  • 响度频率有关,相同声压级的纯音,频率不同,响度也不同。
  • 对于不同频率的纯音,提高声压级带来的响度增长,也有所不同。

以方计算的响度级

“方”(phon)是量度声音响度级 LN 的常用单位,定义为一个 1 000 Hz 纯音,能带来与该声音相同响度时,所对应的声压级的数值(以 dB SPL 为单位)。举例来说,一个 60 phon 的纯音,和一个 1 000 Hz、60 dB SPL 的纯音,有着相同的响度。

一个 60 phon 的纯音,必定比一个 40 phon 的纯音更为响。但是,我们不能说前者的为我们带来的听觉感知,是后者的 1.5 倍。以方计算的响度级是对数尺度,其数值和听学感知并非线性关系

以宋计算的响度

心理声学研究中发现,在 40 phon 以上的区域,当声强提高十倍时,人类的听觉感知只会提升两倍。这可能是因为在提升声强时,听觉细胞会出现饱和,使得给予大脑的信息不能按比例增加。声强提高十倍时,声强级则增加 10 dB SIL。对于一个 1 000 Hz 的纯音,响度级也相应增加 10 phon。为了让响度 N 和听觉感知呈线性关系,心理学家斯坦利·史蒂文英语Stanley Smith Stevens引入另一个响度单位“宋”(sone)。对于一个纯音,40 phon 被定义为等同于 1 sone;若听觉感知提升两倍,则对应于 2 sone;听觉感知只有一半,则对应于 0.5 sone,如此类推。

方和宋的换算公式如下:

这两条公式适用于任何频率的纯音。

对于一个 1 000 Hz 的纯音,声强和响度如下表对应:

声强 (W m-2) 声强级 (dB) 响度级 (phon) 响度 (sone)
10-10 20 20 0.25
10-9 30 30 0.5
10-8 40 40 1
10-7 50 50 2
10-6 60 60 4
10-5 70 70 8
10-4 80 80 16

根据公式换算,听阈 LN = 0 phon 所对应的响度,就是 N0 = 0.0625 sones 。换句话说, 0.0625 sone 是人类能察觉到的声音的最小响度。但也有研究提出,在低于 40 phon 的情况下,以上换算关系可能失效,须另作修正。

响度与时长

听阈上的声音如果频率和声强都不变、时长增加,它的响度也可能随之增大。下图中有三条等响度曲线,线上各点的响度分别相当于声强级为20、50和80dB的1000Hz纯音的响度,它们的时长是500ms。随着声音时长的增加,所需的等响度的声强级减少;在80ms之前变化最大,之后渐趋缓慢。

响度和语言

语言言语中,可以改变音高、音长和/或音强等,从而改变某些音节或语音成分的响度,即为轻重音。不同的语言中,改变响度时所侧重的要素不同。语言中,响度不仅跟音强有关,跟音高音长的关系更加密切:44

汉语普通话中的响度较小的轻声,主要是靠缩短时长来实现的。 英语中的重音则主要靠提高音高。

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注释

  1. ^ 声强级和声压级都是客观的物理量,两者单位都是分贝(分别记作 dB SIL 和 dB SPL)。在一般空气声阻抗为 400 rayl 时,两者数值相等。

参考书目

  1. ^ Stanley Smith Stevens: A scale for the measurement of the psychological magnitude: loudness. See: Psychological Review. 43, Nr. 5,APA Journals, 1936, pp. 405–416
  2. ^ Hugo Fastl & Eberhard Zwicker. Psychoacoustics: Facts and Models (3rd edition). Germany: Springer. 2007. ISBN 978-3-540-23159-2.
  3. ^ 朱晓农. 語音學. 北京: 商务印书馆. 2010. ISBN 9787100066815.

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