認識人耳對音量的感知力~如何解讀等響曲線

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人耳的聽力約是從20Hz~20kHz,不過多數人聽力可能都沒那麼好,而且聽力會隨著年齡的增長而慢慢變差,相信這很多人都知道,但我們對自己聽力的認識又有多少?是否曾實際去測試過自己的聽力呢?對一個從事聲音工作的人來說,從音樂家聲音表現、錄音、後製混音、母帶後期、聲音產品生產、到聽眾家裡播放出來,層層關卡都跟”聽”這件事有關,因此了解人耳對聲音的感知能力就成了很多科學家的研究標的。
1933年時,美國兩位在貝爾實驗從事研究的科學家Harvey Fletcher 與Wilden Munson在Journal of the Acoustic Society of America對人耳聽覺發表一篇文章 ”Loudness, its definition, measurement and calculation”,他們研究發現人耳對所有頻率的響度認知並不是相同的,人耳對不同頻率的反應會隨著音量而改變。當時的聲音工程對於大小聲的認識,都只以為是物理上聲能的強度而己,但他們的研究指出,人耳對聲音大小聲的感知不僅只是對能量大小聲反應而已,還涉及到其他因素,人耳本身對不同頻率在不同音量下,敏感度就不是相同的。這份報告出來改變了大家對聲音大小的認識,也對當時的錄音界、耳機、喇叭設計產生影響。
Fletcher-Munson提出這個測量結果時,測量的方式是找了一群耳力正常的受測者,將1kHz Sine wave用喇叭放出作為測試音,然後請受測者比對其他頻率哪個音量跟測試音的音量是相同的。自他們發表這項研究後,陸續又有許多人做進一步研究,2003年制定的ISO226標準,也就是我們現在使用的等響曲線圖,是根據1956年D.W. Robinson與R. S. Dadson改良前面測試的缺失,在British Journal of Applied Physics上發表的文章”A re-determination of the equal-loudness relations for pure tones” 所做出的研究發表為雛型,經不斷修正,在2003年經ISO認證制定的,跟原來Fletcher-Munson研究最大不同點是改用耳機來對受試者做測試,減低喇叭播放時因空間反射與距離所造成的差異。
圖:等響曲線
我們要怎解讀Equal Loudness Contours呢?上面這張圖藍色的曲線是 Fletcher與Munson當時所研究的結果,Y軸代表實際音壓強度(dB-SPL),X軸代表不同受測頻率,圖上面的各條曲線是以每20個phon為測量單位去進行測試的結果。(註:phon是以 pure tone測出的聲音響度單位 ,0 phon代表人耳最小能聽到的聲音響度):紅色曲線是根據後來的研究人員Robinson and Dadson所測量出的曲線為基礎,再行修正,在2003年認證為ISO226標準,也就是我們現在所說的Equal Loudness Contour (等響曲線)。以20 phon這條響度曲線來看,測試音1kHz為20dB-SPL時,60Hz的聲音要跟它聽起來一樣大聲,實際音量要達到58dB-SPL,3kHz只要15 dB-SPL就一樣大聲了。而在80 phon這條曲線上,測試音1kHz 80dB-SPL的音量,60Hz的聲音需要102dB-SPL才能聽起來一樣,與1kHz相差22dB之多,但20 phon時,60Hz與1kHz間相差的音量為38dB,表示在較低的音量下,低頻要給更多音量才能與1kHz有同等的響度。
80 phon時,3kHz約只要給78dB-SPL就與測試音有相同響度,差距只有2dB; 而在20 phon時,3kHz只要給15dB-SPL就夠了,比測試音少了5dB,這代表音量小時,人耳對3kHz較敏感,當音量變大時,反而沒低音量時敏感。
從這張等響曲線我們可以解讀出幾件事:
  1. 1kHz以下,越低的頻率要越大聲才能聽起來有同等響度。
  2. 2kHz~5kHz之間為人耳最敏感的區域,而且人耳在低音量時比起高音量時對此區域敏感。
  3. 1kHz~2 KHz間人耳對音量的敏感度會稍差些。
  4. 6kHz以上,人耳的敏感度會逐步下降,但比起低頻率來說,音量大小對人耳低頻的敏感度影響高於5kHz以上頻率。
整體來說,人耳對於中頻的敏感度較佳,高低頻在音量小時,人耳較不靈敏,但隨著音量變大,人耳對各頻率的反應差異性就慢慢變小了。
因為這個研究的發現,我們知道人耳聽力上並不是所有頻率都是平均的,在錄混音或母帶後期處理時,監聽系統與耳機對一位聲音工作者來說很重要,專業級的監聽耳機及喇叭除了本身頻率響應曲線要平坦,能正確反應出該有的頻率外,我們監聽時的音量也必須在適當的音量,因為不只是器材頻率響應會影響對聲音的判斷,我們耳朵對音量的反應也得考慮進去,這樣在處理聲音時才會是正確的。混音時,若是監聽太小聲,容易以為高低頻不夠,會加過多的高低頻進去,等到音樂放大䡰時,又發現高低頻太多要修正,監聽音量時而調大或調小易造成頻率上錯誤的判斷,所以錄音室的監聽音量要維持在0VU=80~85dB-SPL左右,不過80dB的音量也不算小,長時間聽這樣的音量易有聽覺疲勞產生,所以錄混音時,每隔一段時間最好讓耳朵休息一下,保持耳朵良好的聽力才能做出最好聽的聲音來,

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