聲學(xué)基礎(chǔ)20131016武漢

1、,黃治物上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院上海市兒童聽力障礙診治中心上海交通大學(xué)耳科學(xué)研究所Email：huangzw86@hotmail.com,臨床聽力學(xué)聲學(xué)知識,聲音與聽力,5% of speech intelligibility,5% of speech power,95% of speech power,95% of speech intelligibility,聽到,聽清,聽懂,聽覺的三個層次,臨床應(yīng)用,,,,,,,,

2、,Impendance,OAE,Evoked potential,REM,,Audiometer,,,,聽覺是聲音作用于聽覺系統(tǒng)引起的感覺。聲音是一種振動，是由一定的能量作用于可振動的物體而產(chǎn)生并由介質(zhì)傳播的波，即從振動物體發(fā)出來的 聲音在真空中會怎么樣？,陸生動物聽到的主要是氣播聲，傳播介質(zhì)是空氣，聲波在空氣中傳播的速度約為340 m/s,物體的振動有快有慢，因而聲波的頻率也有高有低。人耳能夠聽到的聲音頻率范圍是大致從

3、20～20 000 Hz。不能引起我們聽覺的低于可聽聲的叫次聲(次聲頻率高限大致為20 Hz)，高于可聽聲的叫超聲波(大致高于20 000 Hz)。而人的語言頻率主要在500 Hz～4 000 Hz范圍內(nèi),聲波在傳播中的性質(zhì),聲音在介質(zhì)中傳播時并不是介質(zhì)隨聲波向前移動，而是在聲場的某一空間位置上介質(zhì)分子只隨壓力的變化而原地周期性地壓縮和稀疏，形成所謂疏密波。最簡單的振動為簡諧振動，它的波形是正弦波，產(chǎn)生的聲音稱為純音,板球運(yùn)動,(1)

4、 聲波的反射與折射 聲波在傳播過程中，遇到兩種介質(zhì)的交界面時，一部分聲波透過界面進(jìn)入第二介質(zhì)，另一部分返回第一介質(zhì)。返回第一介質(zhì)的聲波稱為反射波。透入第二介質(zhì)的聲波在一般情況下，改變了傳播的方向，故而稱為折射波(亦稱透射)。而原來第一介質(zhì)中的聲波則稱為入射波,(2) 聲波的衰減與吸收 聲波在介質(zhì)中傳播時，聲能將隨著距離的增大而逐漸減少。一類是由于聲音本身的擴(kuò)散以及反射，散射等原因，使能量分散而降低聲能，這種

5、現(xiàn)象稱聲能的衰減。另一類是由于介質(zhì)對聲波的吸收作用，將聲能轉(zhuǎn)換成熱能，使聲能減少，這稱做聲能的吸收現(xiàn)象,(3) 聲波的干涉與繞射 當(dāng)兩個或幾個相干聲波(頻率相同，振動方向在同一直線上，位相差恒定)在空間某一點相遇而迭加或抵消，于是該點就表現(xiàn)出聲音的加強(qiáng)或減弱現(xiàn)象，這種現(xiàn)象即是聲波的干涉,為什么單側(cè)耳聾的病人喜歡用好耳朵對著講話的人純音聽閾測試時我們常發(fā)現(xiàn)僅6kHz或8kHz頻率點的聽閾下降？電影院和會場及聽力室的

6、設(shè)計秋千與聲共振,聲波能繞過障礙物的邊緣前進(jìn)，此現(xiàn)象稱為繞射，亦稱衍射。但這種障礙物的尺度必須小于或不大于前進(jìn)聲波的波長，才能不發(fā)生聲影而產(chǎn)生繞射。實驗證明300 Hz的聲波無論從頭的哪一方位來，都不會影響對側(cè)耳的聽力。但對于高頻，特別是16 000 Hz的聲波，頭部可妨礙聲音傳到對側(cè)耳而形成聲影區(qū),駐波效應(yīng)：在聲學(xué)上，當(dāng)一種純音進(jìn)入一長度與純音波長相等的一端封閉的管狀腔時，封閉端的反射聲波與繼續(xù)進(jìn)入的聲波相遇；因相位相反，聲能被抵消

7、，而使傳入的聲能降低。外耳道長度約2.5~3.5 cm，放置耳機(jī)后，耳機(jī)膜片與鼓膜距離約為 4cm，8 kHz波長約4 cm，故產(chǎn)生駐波，這可以移動耳機(jī)向外來消除,(4) 混響 如果聲音是在室內(nèi)傳播，則聲音傳至墻壁和天花板處將有一部分被吸收，而另一部分發(fā)生反射，反射聲再次傳至另一墻壁或天花板處均有一部分聲能被吸收，因而經(jīng)過一段時間的多次反射后聲音強(qiáng)度將逐漸減弱，一直到聲強(qiáng)降低到聽閾之下。這種在聲源停止之后，聲音在室內(nèi)并不

8、立即消失，而是延續(xù)一個時刻的現(xiàn)象稱為混響,(5) 聲共振 物體的振動需要外力策動，當(dāng)振動的物體在周期性的外力作用下，且這個外力的作用頻率與振動物體的固有頻率相等，此時振動物體獲得的能量最大，振幅也最大，這種現(xiàn)象稱為共振。與物體固有頻率相等的外力作用頻率稱為共振頻率。在聽覺生理中，外耳與中耳的傳音作用，耳蝸對聲音頻率的分辨過程中也都要涉及到共振問題,聲音的物理參量,(1) 頻率、周期及波長 頻率用f表示，

9、以Hz為單位，周期用T表示，以秒為單位，周期是頻率的倒數(shù)，即：T=1/f。周期與波長的關(guān)系如下：λ=C·T,(2) 相位：指質(zhì)點在周期性運(yùn)動中某一瞬間與振動周期相應(yīng)的時間位置 (3) 頻譜：傅立葉分析法表明任何周期性波均能用一系列頻率確定的純音表示。這些純音構(gòu)成一傅立葉級數(shù)，其中最低頻率純音是這一傅立葉級數(shù)的基頻，其它純音頻率亦稱諧波，為基頻的整數(shù)倍,如果每一諧音的幅值用一個縱線圖來表示，則這種表示方法簡潔方便且可表達(dá)和時域

10、圖同樣的信息，此圖稱為線性頻譜或離散頻譜,傅氏分析法目前最為普遍應(yīng)用的為快速傅立葉變換（FFT） 在聽力學(xué)和言語方面通常遇到的FFT分析法就是指將復(fù)合聲波(如噪音、言語聲等)分解為一系列正弦波進(jìn)行分析后，將復(fù)合聲中所含各個頻率成份以振幅為縱坐標(biāo)(表示聲音的強(qiáng)度)，頻率為橫坐標(biāo)，按頻率從低向高依次排列而得到的頻譜,(4)聲強(qiáng)、聲壓、聲強(qiáng)級及聲壓級 聲音的強(qiáng)度由振動幅度的大小決定，以能量來計算稱為聲強(qiáng)，以壓力表示時稱為

11、聲壓。聲強(qiáng)(I)與聲壓(P)的關(guān)系為： I=P/ρC 式中：ρ—介質(zhì)密度，C—聲速,(a) 聲強(qiáng) （聲波在單位時間內(nèi)，作用在與其傳遞方向垂直的單位面積上的能量稱為聲強(qiáng)）一般用爾格/厘米2·秒或微瓦來表示 (b) 聲壓 （有聲波時介質(zhì)中的壓力與靜壓壓力之差稱聲壓）標(biāo)準(zhǔn)單位為帕［斯卡］Pa,正常耳能覺察的最小聲壓，是使鼓膜振動幅度相當(dāng)于一個氫原子直徑的壓力變化，這相當(dāng)于5

12、5;109分之一的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為1巴(bar)。法定計量單位用帕(Pa)作為計量壓力的單位，1 bar=105 Pa。即正常人耳可聽到的最小聲壓為20 μPa，因人所聽到的聲音大小可相差一億倍，因此用Pa來計量聲音的大小就很不方便,同時按心理物理學(xué)研究結(jié)果，人耳對同一頻率而不同強(qiáng)度的兩個聲音感覺的強(qiáng)弱，大致上是與這兩個聲音強(qiáng)度的對數(shù)成比例。因此，我們不用聲強(qiáng)或聲壓的物理學(xué)單位來表示聲音的強(qiáng)弱，而用兩個不同強(qiáng) 度聲音能量或聲

13、壓的比值的對數(shù)來表示,(c)聲強(qiáng)級 它是指某一聲強(qiáng)I與參考聲強(qiáng)I0的比值的對數(shù)(以10為底)。其單位為貝爾，即：聲強(qiáng)級(貝爾)=10 log I/I0 一般人對強(qiáng)度相差1/10貝爾的兩個聲音便可區(qū)別出來，因此用貝爾的十分之一來作為聲強(qiáng)的單位則更為方便，這個單位稱為分貝(decibel)，簡稱分貝(dB)。即 聲強(qiáng)級(dB)=10 log I/I0 ——I0為參考聲強(qiáng)，在聲學(xué)中一般用10-9爾格/cm2&

14、#183;秒為參考聲強(qiáng),(d) 聲壓級(Sound pressure level, SPL) 它是指某聲壓P與參考聲壓P0兩者比值的常用對數(shù)(以10為底)。其單位亦為貝爾或分貝。故采用聲壓級表示聲音強(qiáng)度時，則按以下公式計算 聲壓級(dB)=10 lg P2/P02=20 lg P/P0 在聲學(xué)測量中，聲壓級的參考聲壓規(guī)定為2×10-5 Pa(20 μPa)。這樣，20 μPa為0

15、 dB SPL，痛閾(20 Pa)為120 dB SPL，普通說話聲(0.02 Pa)為60 dB SPL，槍炮聲(2000 Pa)為160 dB SPL,,105 dB SPL Sound pressure 111 dB SPL,105 dB Sound energy 108 dB,(5) 聲阻抗(Acoustic impedance) 聲波傳播過程中，振動能量引起介質(zhì)分子位移時所遇到的抵抗稱聲阻抗。聲阻抗的單位

16、為聲歐姆。聲阻抗包括質(zhì)量聲抗即感抗、彈性聲抗即容抗(又稱勁度聲抗)以及摩阻力（即聲阻）等三種成分,(6) 聲音的時間特性 語言、音樂、動物鳴叫聲以及自然界的許多聲音都不是穩(wěn)態(tài)聲，是在時間上迅速變化的，聲音中的大量信息正是以其瞬態(tài)調(diào)變的形式進(jìn)行傳送。聲音的時間特性包括時程、間隔、相位、調(diào)變速度等許多方面的參量。對它們的描述和控制遠(yuǎn)比簡單聲音的頻率、強(qiáng)度等參量復(fù)雜得多。但聽覺系統(tǒng)對刺激時間特性的辨別卻達(dá)到了極高的精度

17、，為別的感覺系統(tǒng)所不能相比,聲音的物理量與聽覺主觀屬性,聲音包括兩種涵義，它在物理學(xué)上是指聲波，在生理學(xué)上則是指聲波作用于聽覺器官引起的一種主觀感覺。盡管這兩個涵義有所不同，但它們之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。 人類對物理量的響應(yīng)通常與主觀所描述的物理單位大小不一致，因此，人們通常把物理量和聽覺主觀描述作如表1對應(yīng)排列,聽覺,頻率辨差(2 Hz @ 1 kHz --> 2 ms),極高的靈敏度，氫原子直徑 (0.3 n

18、m),動態(tài)范圍(> 120 dB, 10-5~102 Pa; 20 Hz~100 kHz),SearsTower,正常與聽障的聽覺效果,聲音物理量與聽覺主觀描述的對應(yīng)關(guān)系,（1）響度及響度級 當(dāng)一定強(qiáng)度聲波作用于人耳后引起的一種認(rèn)識聲音強(qiáng)弱的感覺稱為響度，它是感覺聲音強(qiáng)弱比例性的效果，值得注意的是：小信號的小變化和大信號的大變化一樣重要。即感覺的變化依賴于原始刺激大小的刺激變化率的改變，它不是一種線性感

19、覺。因此，響度是主觀的，它不僅決定于聲音的物理強(qiáng)度，而且與聲音的頻率有關(guān),1000～4000 Hz之間的頻率，人耳聽起來最響。響度和強(qiáng)度并不成線性比例。響度的主觀計量單位是“宋”（sone），以1000 Hz純音40 dBHL時的響度為1宋，比它響“1倍”即為2宋。純音的響度與聲強(qiáng)級的關(guān)系可以根據(jù)有關(guān)圖表或計算方法得出。大體上說，聲音增強(qiáng)10 dB，其響度約增加1倍。在適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)聲音的強(qiáng)度時，不同頻率的純音也可以得到相同的響度。強(qiáng)度固定

20、的聲音信號，其響度在一定范圍內(nèi)隨時程的增長而增大,響度級：采用聲壓級來描述聲音特征，它不能完全反映人耳的聽覺特性，即用聲壓級來判斷它對人的聽覺產(chǎn)生一個多響的感覺是不完善的。兩個頻率不同、聲壓級相同的聲音聽起來可能不一樣響，而頻率和聲壓級不同的兩個聲音聽起來可能會一樣響，根據(jù)聽覺的這個特性，仿照聲壓級概念定義了聲音響度級這個量，其單位是方（phon),任何聲音的響度級在數(shù)值上等于和此聲音同樣響的1 kHz純音的聲壓級。例如某一聲音（

21、純音或復(fù)合音）聽起來和聲壓級為70 dB的1 kHz純音同樣響，那么該聲音的響度級就是70方。不同頻率響度級與聲壓級之間的關(guān)系曲線為等響曲線(如下圖)。此曲線已為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）所推薦采用。圖中每一條曲線上各點，不管它的頻率和聲壓級是多少，聽起來都一樣響，即位于同一條曲線上的聲音有相同的響度級,（2）音 調(diào) 音調(diào)是頻率的主觀反映，頻率的高低與音調(diào)的高低一致，但并不成簡單的比例。頻率不受聲音強(qiáng)度的影響，

22、音調(diào)可因強(qiáng)度不同而稍有差異。當(dāng)聲音在一般強(qiáng)度下，頻率與音調(diào)的關(guān)系互相一致，但當(dāng)強(qiáng)度增加時，低頻率音調(diào)顯得更低而高頻率音調(diào)顯得更高。心理聲學(xué)在音調(diào)的主觀計量時以“美”（mel）為單位，并規(guī)定1000 Hz純音（40 dB SL時）的音調(diào)為1000美,（3a）音 質(zhì) 演奏相同音符的兩種不同樂器所發(fā)出的連續(xù)聲兩者有區(qū)別（如：不相同的音調(diào)，響度和持續(xù)時間）。在音樂上的不同稱為音色（timbre），但是在語言上稱為音

23、質(zhì)。音質(zhì)的不同依賴于頻譜，各種樂器產(chǎn)生的聲音是由若干頻率和振幅不同的純音組成。其中，頻率最低而振幅最大的稱基音，其他的頻率成分稱泛音，按頻率由低到高的順序稱為第一泛音，第二泛音……,(3b)音 色泛音的頻率與基音成整倍數(shù)關(guān)系。由于泛音數(shù)目不同造成的聲音特性為音色。樂器的基音頻率決定它的音調(diào)，而泛音的頻率與強(qiáng)度決定它的音色,(4) 音 長 人類對聲音在時間上長短的感覺，以及對聲音強(qiáng)度在時間上的變化

24、的辨別具有很重要的意義，就音調(diào)而言音長的變化音調(diào)也有所變化。假如聲刺激的持續(xù)時間比較短（約小于200 ms），則與連續(xù)聽到的相同聲音相比，其響度降低了。持續(xù)時間愈短，聲音的響度顯得愈低 。(測聽1-2s),聲音強(qiáng)度的測量和校準(zhǔn),(1) 聲級計及仿真耳 聲級計是用一定頻率和時間計權(quán)來測量聲壓的便攜式儀器。它可以用來測量和分析環(huán)境噪聲及臨床聽力計校準(zhǔn)等。 聲級計構(gòu)成除了包括測試傳聲器及放大電路以外，還

25、包括實現(xiàn)頻率和時間計權(quán)特性的電路即所謂頻率計權(quán)特性，就是通常所說的A、B、C、D計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，它們的曲線形狀如圖所示,聲級計相應(yīng)的時間計權(quán)特性與頻率計權(quán)特性的采用，使測試結(jié)果在一定程度上反映人耳特性。所謂的時間計權(quán)特性實際上就是時間平均特性，對聲級計而言，包括三種檢波指示特性，即“快”（F）、“慢”（S）及“脈沖”（I）檢波特性,聽力學(xué)中常用的幾種聲信號,（1）純音（pure tone）從物理意義上講是指僅有一種振動頻率的聲音，是持續(xù)

26、時間長，上升和下降時間緩慢的單一的正弦波，在頻譜圖上為相當(dāng)于正弦波頻率的一根垂直線，即為“線譜”（line spectrum）。在主觀感覺判斷上是指有明確的單音調(diào)感覺的聲音（如音叉發(fā)出的聲音）,臨床純音聽閾測試采用的純音為上升、下降時間不短20msec 及持續(xù)時間不短于200msec的純音 持續(xù)時間、上升、下降時間短的“短純音”（tone burst）的能量會擴(kuò)散到鄰近頻率，其頻譜不再是“線譜”,（2）短純音（tone bur

27、st）是指正弦波信號由一定的門控系統(tǒng)（gating system）控制信號上升時間(rise-time)、下降時間(decay-time)及平臺時程（duration）。短純音的包絡(luò)形態(tài)和聲能擴(kuò)散至鄰近頻率（其頻譜有一定的邊袢）的情況決定于它的持續(xù)時間，上升、下降時間和所用的門控系統(tǒng),（3） 短音（tone pip）短純音的特例，是指上升、平臺、下降時間總時程比短純音短，且平臺（峰）不超過一個正弦波的聲信號短音常用于AEP測

28、試和聽覺電生理中測試動物的復(fù)合動作電位（CAP）,（4 ）短聲（click）指單個短聲通常由短脈沖矩形波激勵耳機(jī)（或揚(yáng)聲器）產(chǎn)生，其頻譜較寬，一般在數(shù)百至數(shù)千Hz范圍內(nèi)相對聲級都較接近，其能量分布范圍還取決于耳機(jī)的頻響特性，一般范圍為0.3~5 kHz。如圖所示，為100us矩形波激勵TDH-49型耳機(jī)所得短聲（click）的時域波形圖及頻譜圖,(5 ) 噪聲 噪聲是一種不規(guī)則的，間歇的或者是隨機(jī)的信號。

29、 白噪聲是指在聲頻范圍內(nèi)各頻率成分都有，并且各成分的強(qiáng)度（能量）大致均勻。白噪聲通過特定濾波器只取較窄的頻段，稱為窄帶噪聲（以不同頻率為中心的噪聲帶，臨床聽力計常用帶寬約為1/3倍頻程）,窄帶噪聲：在純音聽閾測試時作為掩蔽用的或聲場測聽用的噪聲。它是白噪聲通過恒定衰減的帶通濾波器后產(chǎn)生的。特征參數(shù)有中心頻率和帶寬 本底噪聲：是指發(fā)生在檢查、測量或記錄系統(tǒng)中與有用信號無關(guān)的一切干擾

30、 言語噪聲：在言語測試時作為掩蔽用噪聲，250～1 000 Hz等能量，1～6 kHz每倍頻程衰減12 dB,（6） 調(diào)制聲調(diào)制聲是聲音中某一參量(振幅、頻率、相位等)按一定時間特性發(fā)生調(diào)變，其他參量則是相對地恒定的。頻率的調(diào)變稱調(diào)頻，強(qiáng)度的調(diào)變稱調(diào)幅。調(diào)變的控制信號可以是矩形波、正弦波或其他波形。頻率、強(qiáng)度均調(diào)變的稱混合調(diào)制聲，一般有較好的頻率特性，常用作聽覺穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的刺激聲,囀音(warble)：囀音是指頻率在某一平均值

31、附近作周期性變化的聲音，即對某一純音（正弦波）作頻率調(diào)制。在測量混響時間、聲場測聽和對幼兒及某些病人聽閾測試等，常用它作為聲源信號,(7)言語聲波,基頻（男聲80-210Hz 女聲100-300Hz和諧波（共振峰）成人男性 120 Hz成人女性 225 Hz小兒265 HzCreaky voice 嘶啞聲20 Hz 辨別言語聲所需最重

32、要的能量取決于第二和第三共振峰,/hi:d/,/h?:d/,/h?:d/,/bou/,/b?i/,/bai/,/bi?/,聲音的多樣性與聲音的計量單位純音脈沖聲短時程音 物理和主觀的計量,臨床聲刺激強(qiáng)度的標(biāo)定 臨床采用的聲刺激其強(qiáng)度的量值可以通過如下幾種方式予以標(biāo)定 (1) 聲壓級（dB SPL）基本標(biāo)度單位 系指以最敏感的人耳聽到的最小聲強(qiáng)度（其絕對值約20 μPa，micro-Pascal

33、）為標(biāo)度的相對聲壓均方根值,（2）峰等效聲壓級（dB peSPL）為短時程音與純音峰至峰相等振幅之純音聲壓級，即在示波器上比較短音電脈沖峰幅和純音信號的振幅關(guān)系而得出。為短時程音特有單位,(3) 聽力級（hearing level, HL）是根據(jù)一組聽力正常的青年受試者對刺激聲(純音、短聲、短音或短純音)的主觀反應(yīng)閾求得的參考強(qiáng)度。例如一組聽力正常的青年受試者其1kHz純音平均主觀反應(yīng)閾是7.5 dB SPL，以該數(shù)值作為0 dB HL

34、，那么， 1kHz 60 dB SPL的純音給予受試者(病人)，其聲刺激強(qiáng)度可變換成(60-7.5＝52.5 )dB HL，聽力計所采用的單位為HL,純音聽力曲線圖的由來,（4）感覺級（Sensation level, SL）系指個體單耳聲刺激的主觀反應(yīng)閾值與刺激聲的聲壓級的相關(guān)比較。例如刺激個體單耳其主觀聽閾30 dB SPL，刺激聲為90 dB SPL，聲刺激強(qiáng)度可轉(zhuǎn)換成（90-30）dB SPL=60 dB SL,（5）正常

35、人聽力級（dB nHL）為聽覺誘發(fā)電位(AEP)常用強(qiáng)度單位，以一組正常聽力者(10～20名年輕人)對某一短時程音的平均行為聽閾作為0 dB nHL(短聲的0 dB nHL約為35 dB pe SPL)—正常短聲聽閾為：36.4dBpSPL，39.9dBpeSPL，25.6dBSPL,測量和校準(zhǔn)中的幾個概念,(1)濾波通帶及倍頻程(2)計權(quán)網(wǎng)絡(luò),美國 Larson Davis 824 聲級計,（3）聲級 由

36、聲級計上通過計權(quán)網(wǎng)絡(luò)讀出的聲壓級數(shù)稱為聲級。由此可見，聲壓級與聲級是不同的。前者是不加計權(quán)而后者則是加了計權(quán)（A、B、C、D中的一種）讀出來 聲級表示方法視所采用的計權(quán)網(wǎng)絡(luò)而定，如用A計權(quán)測出噪聲級為45 dB，那么，就稱“A”聲級是45 dB或SLA=45 dB或者寫作45 dB（A）,語言頻率范圍和清晰度關(guān)系？,掩 蔽,（1）使用噪聲消除測試對側(cè)耳的影響（2）一個聲音的出現(xiàn)，對另一個聲音產(chǎn)生干擾，使其感受

37、閾升高（3）影響聲音可聽度的干擾噪聲,掩蔽從頻率的影響上看：向上掩蔽 高頻聲被低頻聲掩蔽，例如：微弱的高頻輔音被較強(qiáng)的低頻音掩蔽向下掩蔽 高強(qiáng)度的高頻聲對低頻聲的掩蔽從信號出現(xiàn)時間順序看：向前掩蔽 噪聲先于純音，即使不同時給出，也可以掩蔽該純音向后掩蔽 一個聲音被出現(xiàn)在幾毫秒后的另一個聲音所掩蔽,掩蔽的概念掩蔽的機(jī)制：5dBEM——5dB,概念及關(guān)鍵問題,NTE:left

38、 TE:right masking 5(+) 5(-) 10(+) 10(-) 15(+)