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關(guān)于tonal噪聲，你了解多少？（一）
2020-03-14 00:35:17· 來源：海德聲科 HEAD acoustics
NVH技術(shù)部 昨天本期開始，我們將就tonal噪聲的概念和分析手段做一個全方位的介紹，分期推送。生活中的tonal噪聲我們的生活環(huán)境存在各種各樣的聲音。從信號能量分
生活中的tonal噪聲
我們的生活環(huán)境存在各種各樣的聲音。從信號能量分布角度來說，可以分為寬頻聲音和窄帶聲音。寬頻聲音將能量均勻地分布在比較寬的頻率范圍，比如人耳可聽到的所有頻率成分的白噪聲和粉紅噪聲；窄帶聲音就是我們常說的tonal信號，最極端的例子就是單頻純音信號。
寬頻聲音在日常生活中隨處可“聽”，比如風雨聲、流水海浪聲等，我猜想坐在勞斯萊斯里面聽到的聲音應該也是寬頻的吧。人耳對于寬頻聲音比較容易接受，因為它往往會給人以穩(wěn)定、平靜的感覺。
Tonal信號我們就更熟悉了，比如家里吸塵器的聲音，電腦風扇的聲音，消防車的聲音，還有睡覺時蚊子在耳邊嗡嗡叫的聲音等等。這種聲音容易被人耳識別，會讓人一直關(guān)注，從而產(chǎn)生警覺和緊張感，使人不舒服。
實際上樂器所發(fā)出來的聲音基本上也都是tonal信號。樂音有基頻和豐富的諧波成分，所以聽起來很和諧。不過家里有學樂器的小朋友應該都深有體會，想要余音繞梁，絕非易事。當然，如果這個小朋友在鄰居家，那這個領(lǐng)悟一定更加痛徹心扉……
當家電、機械、汽車等系統(tǒng)出現(xiàn)嘯叫、轟鳴、單頻純音等情況時，會讓用戶會產(chǎn)生不愉悅感，從而嚴重影響用戶體驗。產(chǎn)品聲品質(zhì)的好壞已經(jīng)成為決定生活品質(zhì)的一個重要因素，因此對于tonal噪聲的研究就更顯迫切。尤其在新能源汽車領(lǐng)域，近些年最熱門的心理聲學參數(shù)可能就是與tonal噪聲相關(guān)的指標了。
這么看來，tonal信號是不是你生活中的?？?？可仔細一想，到底應該如何定義tonal信號？嘯叫、轟鳴、音調(diào)、單頻、純音…好像這些表述都不夠精確。到底多窄才算是窄帶信號？高頻窄帶和低頻窄帶有區(qū)別嗎？聲音大小有關(guān)系嗎？頻率變化的信號還算是純音信號嗎？變化快慢有影響嗎？
感覺一下子一腦門官司。不過大家最近都憋得慌，估計無聊的想拆家，那我們就找些事情來消遣寂寞，說不定你豐富的知識儲備在不經(jīng)意間外漏，讓你立馬變成整條街（gai）最靚的仔/囡。
首先我們必須理清窄帶的概念，到底多窄才算是窄帶信號呢？在此有請臨界頻帶這個工具上場。
臨界頻帶
臨界頻帶是心理聲學的一個基本概念。大量的試驗表明，人耳對于頻率比較接近的聲音刺激，反饋是相同的，把這些頻率合成特殊的頻率帶，叫臨界頻帶，例如表1所示。乍一看，臨界頻帶和倍頻程的概念類似，都是把一些頻率帶組合起來，頻帶的寬度也差不多，低頻包含的頻率窄，越往高頻越寬。會不會是以前的科學家比較窮，新瓶裝舊酒，起個高端的名字，發(fā)文章的時候，能多碼點字，多賺些稿費？我一直有這樣的疑問……
表1 臨界頻帶（Fastl and Zwicker）
我們都知道，倍頻程是從音樂理論借用來的概念，用途廣泛，其頻帶寬度是呈指數(shù)增加的，而且有嚴格的界限。但是臨近頻帶則是完全從人的內(nèi)耳這個生物系統(tǒng)出發(fā)的，反映了人耳對于聲音的接受和識別的過程。
耳蝸是人耳最重要的聽覺器官之一，能把接收到的機械振動轉(zhuǎn)化成生物電信號，傳輸?shù)酱竽X中識別聲音。研究發(fā)現(xiàn)，把耳蝸這個蝸牛殼拉平展開后，耳蝸不同的位置，對不同的頻率敏感性是不一樣的。高頻在耳蝸入口處更敏感，低頻則在耳蝸頂端更敏感。而且高頻所占的位置相比低頻要少一些。相應的，高頻的分辨能力要比低頻也差一些。（耳蝸的工作原理有很多解釋，比如行波原理、時延原理等等。有些還有爭議，有興趣可以翻看以前的公眾號文章）。
那怎么才能知道人耳的頻率分辨能力到底如何呢？或許有人會問，為啥要研究頻率分辨能力，知道能聽聲音就行了唄？這個可是關(guān)鍵的問題，會影響到我們對聲音的所有感受，比如：到底頻率差別要有多少，我們才知道聽到的是兩個不同的聲音?另外這還涉及到一個所有心理聲學的基礎：掩蔽效應。如果一個聲音被另一個聲音掩蓋了，雖然這個物理能量客觀存在，但是對人來說，它是不存在的。我們無法感受到這個能量，它就不會造成任何影響。所以，無論是響度，還是尖銳度，只要是涉及到心理聲學的概念，一般需先處理這個被掩蓋的能量，才能進行分析。
因此，頻率分辨能力是非常關(guān)鍵的概念。把我們分不清的頻率成分合在一起，稱為臨界頻帶。和其他心理聲學的概念類似，這個也是以前的科學家經(jīng)過大量統(tǒng)計研究出來的。不同的科學家有不同的研究方法，所以實際上臨界頻帶也有不同的劃分方法，比如表1提到的Zwicker的24個Bark域劃分方法，還有Moore的ERB方法等。不過過程差不多，我們舉個簡化的栗子：
如上圖所示，現(xiàn)有F1和F2兩個單頻信號，開始的時候頻率一樣（頻率差=0）。如果F1不變，F(xiàn)2逐漸變化，當頻率差<15Hz，會出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象。雖然我們無法分清楚這兩個頻率，但是能感受到一種不斷波動的聲音，即拍頻。如果頻率差逐漸擴大，拍頻現(xiàn)象會消失，但是我們依然無法清晰識別這兩個信號，而是產(chǎn)生粗糙度的感受。頻率差持續(xù)增加，直到粗糙感消失，這時我們可以分清楚兩個單頻信號。此時的頻率差，就是對應F1的臨界頻帶。
需要強調(diào)的是，臨界頻帶并不是固定的頻率位置，這一點和倍頻程截然不同。臨界頻帶會自動“聚焦”在耳蝸最主要激勵處，并以此為中心劃分。我們最常見的24個Bark域，有明確界線的劃分方法，是用來計算Zwicker響度的技術(shù)上的簡化，并不是實際耳蝸的工作方式。
再舉個栗子。兩個正弦信號1050 Hz和1100 Hz處在同一個1/3倍頻程中，也處在同一個Bark中，分析結(jié)果如下圖所示。我們可以發(fā)現(xiàn)，對于兩個不同頻率的信號，如果處在統(tǒng)一1/3倍頻程中，其倍頻程的結(jié)果完全一樣，但是基于臨界頻帶概念的響度結(jié)果則有明顯的差別。所以，臨界頻帶和倍頻程是不同的分析方式，科學家想出來的概念并不是“空談”。
以上關(guān)于臨界頻帶的介紹僅是從通俗角度去說明，以便大家更好地理解，稍欠嚴謹。不過我們公眾號可是一直走“高端專業(yè)”路線的，以前曾經(jīng)發(fā)過一篇詳細介紹臨界頻帶的文章心理聲學系列-臨界頻帶，小伙伴們可以認真學習一下，為下一堂課做準備。
未完待續(xù)……
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