音响发烧纵横谈(2) 音乐的表征
高保真音响设备重放音乐的质量，应该同时从两个方面来进行衡量：一是音响系统的电声技术指标，二是聆听者的主观听音效果。一般而言，高保真音响的技术指标（客观评价）越高，听音评价（主观评价）效果也就越好，但二者并非总是相互一致。 从技术指标上来评价，一个高质量的音响系统应能够如实地传输和重现原有的声源过程，系统中各个环节都要有极小的失真度、很宽的频响、足够大的动态范围及较大的立体声分离度等。从主观听觉上来评价，一套高保真音响设备应能够准确地重现节目信号的音色、音调和音强，播放出的音乐应该是高音清脆、纤细、透明，中高音明亮、透彻，中低音悠扬、雄厚、有力，低音浑厚、丰满、柔和，背景噪声微乎其微，在整个频段和响度范围内声音均衡，层次清楚，有逼真的现场感。 声波是由振动物体的能量沿周围空气传播所形成的，声音则是声波作用于人耳所引起的感觉。严格地说，声和音是不同的，声包含着音，音是有调的声。声音的范围很广，主要有人的语言声、歌声、音乐声、噪声以及自然界中的其它各种声音。 通常把声音的响度（振幅）、音高（频率）和音色（频谱）称为声音的三要素。响度、音高和音色是听音的主观感觉，它包括了心理和生理的因素在内；而振幅、频率和频谱是声音信号的物理量，它是可以进行客观技术测量的。1．响度 响度也称音强，是人耳对声音强弱的主观评价尺度。响度的客观评价参数是振幅。声音振幅的大小可以用声压值来表示，其单位为帕（Pa）。历史上也曾广泛采用过微巴（bar）作为声压的单位，它与帕的换算关系为1mbar =0.1Pa。 自然界中的声音强弱变化很大，例如对于频率为1kHz的声音，人耳可以察觉到的最小声压值为2´10－5Pa（称为闻阈），而可以忍受的最大声压值高达2´102Pa（称为痛阈），二者相差1000万倍。显然，用这么庞大的数字表征声音的大小很不方便。同时，人耳对声音强弱的主观感觉也并不是正比于声压绝对值的大小，而是正比于声压的对数值。为此，又引入了另一个表征声音振幅大小的单位，即声压级，它定义为声压值与基准声比值的对数。如果将人耳的闻阈用声压级来表示，则为0dB，痛阈用声压值来表示，则为140dB。通常声压级变化1dB是听觉正常的人所能够辨别的最小声强变化量。 表1和表2分别给出了自然界中环境声和音乐声的声压级的一般范围，由此我们可以对声压级的数量概念有一个定性的了解。作为我们的主观感觉来说，一般30～40dB为微弱声（如耳语），50～70dB声音适中（如交谈声），80～110dB为很响亮声（如爆竹声），100～130dB为极响亮声（如摇滚乐声），140dB已有痛感（如炸弹爆炸时的声音）。表1环境声的声压级声源声压级/dB人耳的感觉
微风，树叶的沙沙声10宁静
田野中的小桥流水20宁静
小声私语30安静
办公室、脚步声（轻走）40安静
图书馆、白天安静住宅50安静
正常谈话（相距1m）、电影院内的噪声60较安静
电话铃声、汽车车厢内70听电话较困难
繁华街道、正常音乐声80喧闹
汽车喇叭声、车间、商店90声音嘈杂
地铁内、飞机内100人耳不适
警笛声、飞机起飞110人耳不适
雷声、摇滚音乐声120人耳非常不适
爆炸声140人耳有刺痛感觉
运载火箭发动机起动150损伤人耳
表2音乐声的声压级
声源声压级/dB声源声压级/dB
女声30～95小号55～95
男声30～100长号45～95
交响乐队25～120定音鼓30～115
小提琴40～100小鼓55～115
大提琴50～95钢琴60～100
单簧管60～100手风琴30～105
双簧管60～100吉它35～80
长笛50～90萨克斯管60～105
口琴50～85铙钹40～105
巴松管60～90
对于不同频率和不同声压的声音，人的耳朵有一定的听觉范围，称为声域。超出一定的频率范围或一定的声压范围的声音，即使振幅很大，人耳也听不出来，即响度为零。可听声的频率范围通常是20Hz～20kHz，低于20Hz的为次声，高于20kHz的为超声，人耳对次声和超声是听不到的。可听声的声压范围在闻阈与痛阈之间，若以1kHz的纯音信号为准，则相应的声压级范围为0dB～140dB。 对于不同频率的声音信号，人耳的闻阈值和痛阈值也是不一样的，有如下一些规律： （1）人耳对1～6kHz的声音比较敏感，尤以3～5kHz最为突出，而对低频或高频的声音则相对迟钝些。这是由人耳的声学性质决定的，因为人耳的谐振频率大约在3～4kHz之间，共振峰宽度约为2～5kHz。低于800Hz时，听觉灵敏度随频率的降低而持续降低，而高于6000Hz时，灵敏度也会有所减小。在800～1500Hz的频率范围内，听阈随频率的变化最不显著，也就是说，在这个频段内的语言可懂度最高，因此在某些只播放语言信号的场合可将声音的频率限制在此频段中，例如，电话只要能听清楚话音就可以了，故可将话音频率限制在这个范围内，既能降低声功率，节省能量，还可减少干扰和噪声。 （2）当响度级较小时，听感随频率的变化十分明显。所以，当人们欣赏音乐时，如音量开得过小，就会感到高音和低音明显不足，必须对高频和低频段的声音进行适量的提升，才能满足听音效果。在音响设备中所设的等响度控制器，就是起到了这种作用。 （3）当响度级较高特别是达到80方以上时，等响度曲线基本平直，即人耳听感随频率的变化较小，对全频段的声音感觉比较均衡。因此，欣赏频率范围较宽的音乐时，将声压级调到80～90dB左右可获得较佳效果。如果是语言节目，其频率范围主要在200Hz～3kHz之间，这时响度级在70方即可获得较平坦的频率特性，因此若节目以语言为主，声压级设在60～70dB左右为宜。音乐与语言节目所涵盖的频率和声压范围可参看图2.2。 （4）在低频段听感随频率的变化要比在高频段的变化更为剧烈，而在同样的声压级条件下，高频声对人耳的刺激比低频声强。所以，为了使高、低音达到平衡，要特别注意增强低音的音量，同时低音还能抵销部分高频噪声的刺激。正是由于这个原因，音响设备中都特别重视加强低音。2．音高 音高又称音调，是人耳对声音调子高低的主观评价尺度。它的客观评价尺度是声音的频率。声源振动的频率越高，则发出声音的音调就越高；反之，音调就变低。女高音和交响乐队中的小号等乐器的发声频率高，所以音调也高，声音响亮透明；而男低音和交响乐队的大提琴等乐器的发声频率低，所以音调也低，声音浑厚有力。 频率的单位为“赫兹（Hz）”，它定义为声波每秒钟振动的次数。如果每秒钟振动一次，则称为1Hz。在声学上，还常常使用“倍频程”来表述频率。如果一个声音的频率f1是另一个声音频率f0的一倍，则称f1是f0的1倍频程。音高的单位为“美”，响度40方、频率1kHz的纯音音高被定为1000美。一个频率的声音若听起来是1kHz纯音音调的2倍，它的音高就是2000美。 音调与频率是基本一致的，即人耳对音高的感觉取决于声音的频率，但二者并非成线性关系，而是近似呈对数关系。也就是说，不论原来频率是多少，相同倍数的频率变化对人耳总是产生相同的音调变化感觉。例如，把频率增加一倍（即一个倍频程），如从100Hz变到200Hz或从1200Hz变到2400Hz，音调的变化在听觉感受上是一样的，在音乐声学中称为提高了一个八度音阶。这个规律表明音调的变化和频率相对变化的对数近似成正比。 不同的人声、音乐声或环境声的频率范围是不一样的，表3给出了一些常见声音的频率范围。通常人声占有的频率范围较窄，一般在80Hz～12kHz范围内，音乐声则较宽，自然界的环境声则更宽。不同频率范围的声音若是被强调或减弱时，就会产生不同的音质效果或听音感受。 表3常见声源的频率范围
声源频率/Hz声源频率/Hz
小提琴160～17000小号180～9000
中提琴120～10000低音萨克斯管50～12000
大提琴60～8000巴松管60～12000
单簧管160～11000高音萨克斯管200～14000
双簧管250～13000手风琴120～13000
大管55～8000口琴450～13000
钢琴25～6000短笛450～13000
长笛250～10000管风琴30～13000
大军鼓60～7000女高音220～11000
三角铁500～17000女低音150～15000
钹150～15000男高音120～7000
定音鼓45～4000男低音80～4000
低音鼓50～4500飞机起飞22～18000
小鼓80～12000房间杂音30～16000
低音提琴40～9000按键声1500～14000
低音号45～6000拍手声100～12000
长号80～8000脚步声80～12000
3．音色 同样的一个乐音，由不同嗓音的人演唱出来或是用不同的乐器演奏出来，人们在听音时也能清楚地分辨出是不同的声源在发声。例如，即使小提琴和钢琴演奏同一音高的音符，人们仍能根据乐器的音色，分辨出哪一个是钢琴的声音，哪一个是小提琴的声音。这是因为每种人声或乐器都有其独有的特色，称之为声音的音色（也称音品）。人耳除了对响度和音高有明显的辨别力之外，还能很准确地判断声音的音色。 音色是由所发出声音的波形确定的，因为乐音振动绝大多数都不是简单的正弦振动，而是具有丰富的谐波成分，因而产生出其它频率的声音加到基本的振动频率（称为基频或基波）上去。这些附加频率不是无规则的，而是基频的整数倍，被称为谐波。这些谐波的数目和它们的相对强度，赋予每一种乐器以特有的音色。如果没有谐波成分，单纯基频正弦信号是没有音乐感的。各种乐器的基波及各次谐波都包括在内，称为该乐器的频率范围。 音乐中将声音的基频称为基音，其谐波称为泛音，只有单一频率的声音称为纯音，而具有谐波的声音称为复音。一个声音的泛音一般有十几个之多。由于泛音的高低多寡决定了声源的特征，所以高保真音响应尽可能准确地还原这些声源基音的若干个泛音，还原得越准确、越全面，人们对重放信号的分辨能力就越强。 音色除了与声音的频谱有关之外，还与声音波形的包络有关。波形包络是指乐音中的每个周波巅峰间的连线。波形包络对音乐的瞬态特性影响很大，有的乐器要求声音的建立和结束干净利落，则其波形包络显得陡峭；有的乐器则要求声音的建立和结束较为平缓，有余音缭绕之感，则其波形包络显得平缓。 音色确如其名，犹如绘画中的颜色，色彩纷呈，变化万千。在人声歌唱艺术中，采用不同的演唱方式，就有若干不同的音色风格。比如，中国民族唱法与欧洲美声唱法很不一样，其各自演唱的音色也迥然不同。即便在同一声部中，其音色也有差别。在女高音中，就有声音浑厚有力，适于表现戏剧性激情与温柔而富有深沉情感的戏剧性女高音；有音色柔美、清丽，适于表现流畅、抒情的歌唱性音调的抒情女高音；还有声音轻巧、富有弹性，适于表现轻快活泼和花腔技巧的花腔女高音。在男高音中，有声音纤巧、清脆且又明亮灵便的轻快型抒情男高音；有声音优美柔和、以抒情见长的抒情男高音；还有声音结实饱满且具有男性英雄气概，适于表现激烈情感的戏剧性男高音等等。 不同的乐器也有不同的音色。弓弦乐器，如小提琴、中提琴、大提琴、二胡、高胡、中胡等，音色柔美，富有韵味，最接近于人声，适于表现人的温柔和深情。同为弓弦乐器，其个性也不尽相同，比如小提琴的音色纯净而明亮，大提琴的音色温馨又柔和，二胡的音色则含蓄且较暗。管乐器的音色更是丰富多彩，我国的唢呐、竹笛的音色炽热，而箫则显得冷漠；西洋的铜管乐器小号和长号，音色嘹亮、强烈，而圆号的音色则是朦胧；木管乐器长笛和单簧管的音色较冷，而双簧管和大管的音色则较暖。有的乐器特色鲜明，如板胡的音色尖亮，有时可表现欢快的情绪，大三弦的音色钢亮，能表现幽默、狡黠的情绪；有的乐器则表现力丰富，如钢琴的音域宽广，有7个八度音程之多，既能发出犹如天鹅绒般柔美的音色，又能发出低沉或尖锐的音色，还能发出恢宏、气势磅礴的音色。，4．立体感 在音乐厅欣赏交响乐队演出时，我们不仅可以听出旋律的节奏变化，判断哪种声音是哪个乐器发出的，而且还可以从听觉上判断出每种乐器在舞台上的演奏位置、合唱中的声部分布以及独唱演员在舞台上的移动。这些都是人通过主观感觉得到的，这种感受称为立体感。立体感主要由声音的定位感（方向感）、空间感（包围感）和层次感（厚度感）等所构成，富有立体感的声音称为立体声。 人们通常听到的任何声音都是由声源发出的直达声与经过四面八方的障碍物（如室内的墙壁）的反射声合成的。具体来讲，我们在室内某一点听到的由固定声源发出的声音是由三部分组成：一是由声源直接送入人耳的声音，称为直达声；二是在室内墙壁经过一次反射听到的声音，称为近次反射声（也称前期反射声）；三是经过一系列方向杂乱的反射后传来的反射声，称为混响声。后两者也可统称为反射声，反射声相对于直达声来说是一系列逐渐衰减的延迟声。人们对声音的定位感主要取决于直达声，而对声音的包围感则由前期反射声和混响声所决定。 无论听众处在音乐厅中的什么位置，总是首先听到直达声，并通过直达声来判断声源的位置。 人用一只耳朵可以分辨出某一发声体（声源）的音色、音调及音强，但难以准确地分辨出发声体的具体位置；人使用两只耳朵听音，就能准确地分辨出发声体的具体位置，从而产生声音的方向感。由于人的双耳大约有15～18cm左右的间距，而声音在空气中的传播速度为340cm/s，所以由同一声源发出的直达声到达两只耳朵时的最大时间差为t =双耳距离/声速=0.44～0.5ms。同时，直达声到达双耳的声音还有一定的声强差和相位差。尽管这种差别十分微小，灵敏的人耳还是可以反应出来，并由此来判断声音的方向，确定声源的位置。 反射声对声音方向感的影响不大。生理声学研究表明，只要近次反射声与直达声的时间差小于50ms，即使它的强度比直达声大许多倍，决定声音方向的仍旧是直达声，这种现象是由德国学者哈斯（Hass）发现的，故称为哈斯效应。然而，反射声对听觉判断周围空间的大小有重要影响。无论是前期的近次反射声，还是后期的混响反射声，反射声总是从各个不同的方向到达听众。虽然人们的听觉不能分别地确定这些方向，但是能够得到一个总的印象，使听众有被声音包围的感觉，这就是声音的空间感。 人耳的声音定位机制与声音的频率有关。当来自不同位置的声音的频率较低时，对应波长较长，可以从头部绕射过去，但到达双耳时会有一定的相位差。当声音的频率较高时，头部对声波传播的阻挡已不可忽略，高频声难以绕射过去，到达两只耳朵的声音的强度差较大。所以，判断低频声声源方位主要靠声波在两耳产生的时间差和相位差，判断高频声声源方位主要靠声波在两耳产生的强度差。此外，由于人耳的间距大约等于800～1000Hz声音波长的一半，所以对于低于800～1000Hz的低音信号，到达两耳时的时间差和相位差甚微，听音时不会有明显的方向感觉。 人耳的空间定位包括水平、垂直和前后三个方向。水平定位主要靠双耳，垂直定位则主要靠椭圆形的耳壳。由于人耳是左右各一只，所以人耳的水平定位能力远优于垂直定位能力，当然前后定位能力则更弱。听力正常的人的水平定位准确度误差不大于4°～5°，垂直定位的误差可达8°～10°。 根据人耳的上述生理特点，我们可以人为地使到达两耳的声音具有一定的时间差、相位差和强度差，就可以使人在某个方向上形成一个对应的声源幻象。这种主观感受到的声源幻象通常就称之为声象。现代立体声放音的效果就是这样发明的。例如，双声道立体声就是根据左、右两声道放音时的差异来模拟声象方位；多声道环绕声系统则是根据更多的声道放音时的差异来模拟声象的方位和包围感。实践证明，当双耳处人为制造的声波状态和实际声源在双耳处产生的声波状态完全相同时，人感受到的声象也会和实际声源一样真实自然。 自然界的各种声音均是富有立体感的。为了真实地反映原始声场的特征，就必须完美地重现声音的立体感。这就是现代音响均采用立体声系统的主要原因。与单声道相比，立体声有四个重要特点： （1）声象具有分布感。立体声重放中，声音不再象单声道那样是从一个“点”发出来的，而是分布到了一个较宽的范围。 （2）清晰度高。立体声使人感到各声源来自不同的方向，因此听起来各声源间的掩蔽效应比单声道弱，从而提高了清晰度。 （3）声部平衡性好。由于立体声重放声象的分布特性，制作立体声节目时，处理各声部间音量平衡比单声道容易些，效果也好一些，可以使独唱、独奏、领唱等需要突出的声部得以突出，又使整个节目保持较自然的平衡。 （4）背景噪声低。单声道的声音信号和背景噪声由同一个点发出，而立体声中重放的噪声像被分布到各个方向。分散开来的背景噪声自然比集中到一点的噪声低。 （本文摘自庄奕琪著《现代家庭视听指南》第二章）
有点概念。。 头都大了。。。
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