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掩蔽效應

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所謂的掩蔽效應是指: 壹個較弱的聲音的聽覺感受被另壹個較強的聲音影響的現象,我們就稱之為人耳的“掩蔽效應”。“掩蔽效應”在實際聲學應用中有很重要的作用。

我們假設安靜的環境下,聽清楚聲音A的閾值為30dB,若此時又能同時聽見聲音B,這時由於B的影響,使得 A的閾值提高到了40dB,即比原來提高了10dB。此時,我們就稱B為掩蔽聲,A為被掩蔽聲。被掩蔽聲聽閾提高的分貝數稱為掩蔽量,即上述10dB為掩蔽量,40dB稱為掩蔽閾。

掩蔽可分成頻域掩蔽和時域掩蔽。

事實上,掩蔽效應並不僅僅是個音量問題,因為當掩蔽音與被掩蔽音的頻率不相同的時候,掩蔽作用並不那麽嚴重。但壹個響亮的純音很容易就把另壹個頻率更高的純音給掩蔽掉。

壹個強純音會掩蔽在其附近同時發聲的弱純音,這種特性稱為頻域掩蔽,也稱同時掩蔽(simultaneous masking),如圖1所示。

從圖1中可以看到,聲音頻率在300 Hz附近、聲強約為60 dB的聲音掩蔽了聲音頻率在150 Hz附近、聲強約為40 db的聲音。又如,壹個聲強為60 dB、頻率為1000 Hz的純音,另外還有壹個1100 Hz的純音,前者比後者高18 dB,在這種情況下我們的耳朵就只能聽到那個1000 Hz的強音。如果有壹個1000 Hz的純音和壹個聲強比它低18 dB的2000 Hz的純音,那麽我們的耳朵將會同時聽到這兩個聲音。要想讓2000 Hz的純音也聽不到,則需要把它降到比1000 Hz的純音低45 dB。壹般來說,弱純音離強純音越近就越容易被掩蔽。

在圖2中的壹組曲線分別表示頻率為250 Hz,1 kHz和4 kHz純音的掩蔽效應,它們的聲強均為60 dB。從圖2中可以看到:

1)在250 Hz,1 kHz和4 kHz純音附近,對其他純音的掩蔽效果最明顯。

2)低頻純音可以有效地掩蔽高頻純音,但高頻純音對低頻純音的掩蔽作用則不明顯。

由於聲音頻率與掩蔽曲線不是線性關系,為從感知上來統壹度量聲音頻率,引入了“臨界頻帶(critical band)”的概念。通常認為,在20 Hz到16 kHz範圍內有24個臨界頻帶,臨界頻帶的單位叫Bark(巴克),

1 Bark = 壹個臨界頻帶的寬度

f(頻率)< 500 Hz的情況下,1 Bark≈f/100

f(頻率) > 500 Hz的情況下,1Bark≈9 + 4log(f/1000)

以上我們討論了響度、音高和掩蔽效應,尤其是人的主觀感覺。其中掩蔽效應尤為重要,它是心理聲學模型的基礎。

除了同時發出的聲音之間有掩蔽現象之外,在時間上相鄰的聲音之間也有掩蔽現象,並且稱為時域掩蔽。時域掩蔽又分為超前掩蔽(pre-masking)和滯後掩蔽(post-masking),如圖3所示。產生時域掩蔽的主要原因是人的大腦處理信息需要花費壹定的時間。壹般來說,超前掩蔽很短,只有大約5~20 ms,而滯後掩蔽可以持續50~200 ms。

除了頻域掩蔽和時域掩蔽外,還存在壹種被稱之為“時間掩蔽”的效應。

同步掩蔽效應和不同頻率聲音的頻率和相對音量有關,而時間掩蔽則僅僅和時間有關。

如果兩個聲音在時間上特別接近,我們在分辨它們的時候就會有困難。例如,如果壹個很響的聲音後面緊跟著壹個很弱的聲音,後壹個聲音就很難聽到。但是如果在第壹個聲音停止後過壹段時間再播放第二個聲音,後壹個聲音就可以聽到。對純音壹般來講,這個間隔時間是5毫秒。當然如果在時序上反過來,效果是壹樣的。如果壹個較低的聲音出現在壹個較高的聲音之前,而且間隔很短,那個較低的聲音我們也聽不到。

掩蔽效應是指人的耳朵只對最明顯的聲音反應敏感,而對於不敏感的聲音,反應則較不為敏感。例如在聲音的整個頻率譜中,如果某壹個頻率段的聲音比較強,則人就對其它頻率段的聲音不敏感了。

應用此原理,人們發明了mp3等壓縮的數字音樂格式,在這些格式的文件裏,只突出記錄了人耳朵較為敏感的中頻段聲音,而對於較高和較低的頻率的聲音則簡略記錄,從而大大壓縮了所需的存儲空間。

MP3用戶可以指定每壹秒的音樂是用多少個bit來存儲。而MP3編解碼器只關心頻率之間和音量之間的相互關系。

編碼過程中,信號中的“無用分量”被拿來和人類心理聲學的數學模型,以及壓縮使用的比特率作比較,以決定要扔掉哪些數據。當前MP3壓縮使用的比特率壹般是128kbps。編碼器在輸出每壹幀數據的時候都會考慮到這個數字,如果比特率比較低,那麽“無關”和“冗余”數據的定義就會被放寬,導致大量的數據被認為是無用數據,此時壓縮後的音頻會丟失大量細節,導致音質下降。相反,如果使用較高的比特率編碼,“無關”和“冗余”的標準就會被限定的更嚴格,細節會被保留,但是文件更大。

除此之外,聽覺的掩蔽效應在電聲領域也被廣泛應用。如動態降噪,就是根據不同的節目對噪聲的掩蔽不同的原理設計的。

掩蔽效應不僅是聽覺生理現象,也是心理現象,“雞尾酒效應”就是其中的壹例。雞尾酒效應是指當註意力十分集中時,或對比較熟悉的聲音,人的聽覺可以從相當嚴重的掩蔽噪聲下,有選擇地傾聽想要聽的聲音。在許多人相聚的雞尾酒會中,可以對特定人的的講話聽的最清楚,這在實際錄音中也有很多的應用。