关于等响度曲线与计权

jialin

关于等响度曲线与计权

我们知道，人耳对声音幅频响应的主观感受是非线性的，这个非线性包括了人耳对不同频率响度感受的非线性，以及对不同频率响度感受随声压级变化的非线性。

将人耳主观听感上对不同频率的响度感受相同时（以1KHz为基准参考），所对应的声压级连成一条线，就是所谓的“等响度曲线”，它表示了频率与响度级之间的关系，响度级的单位为“PHON（方）”。例如：同样是80PHON响度级的1KHz和3.7KHz，1KHz对应的声压级为80dB,而3.7KHz对应的声压级为70dB。这条曲线直观的反映出了人耳对不同频率在主观听感上的敏感程度，比如最敏感的中高频部分，以及最不敏感的超低频部分，这涉及到人的生理声学范畴。

这个现象，早在1933年被两位学者所揭示，一位是Fletcher（弗莱彻），一位是Munson（芒森），由于首次双耳听音和相对自由场条件下的完整的等响曲线由Fletcher和Munson给出，因此，等响度曲线又被称之为“Fletcher-Munson curves”，即“弗莱彻芒森曲线”。如图：



图1  等响度曲线（弗莱彻芒森曲线）
那么这个等响度曲线对我们在实践中有什么意义呢？除了可以让我们了解人耳在不同音量条件下的主观听觉感受需求之外，另一个要特别提到的就是有关不同音响系统（或扬声器系统）的AB音质对比问题。

我们多数音频工作者在对比两套不同音响系统（或扬声器系统）的音质区别时，往往未将两套系统的声压级校准在大致相同的参考音量上，就开始了各种点评，这样失去前提条件的的点评其实并不合理（除非目的为对比扬声器系统的灵敏度）。

由于扬声器系统的转换效率（灵敏度）的不同，功率放大器的输入灵敏度、输出功率的不同，结果相同的音源信号馈送后，得到的声压级常常会存在差异，进而影响到我们对不同系统的音质辨别。为什么会这样？了解等响度曲线，答案就在其中。

关于计权：

计权（加权）：指将某个（组）数值按一定规则计入权衡数据进行修改。

频率计权：由于人耳对各频段噪声的感知能力不同，为了模拟人耳听觉在不同频段的敏感度，于是采用能够模拟人耳听觉特性的滤波器（有：硬件或软件两种形式），将电信号修正为与人耳主观听感接近的程度。

为了可以通过声学测量仪器反映出人对声音的响度感觉，美国国家标准学会ANSI于1936年制定了计权标准。

通过从等响度曲线中选取了40方、70方、100方这三条曲线作为典型参考（可以简单的理解为响度的弱、中、强）,以这三条曲线的倒曲线加以简化，从而设计了计权滤波器,即：A、B、C计权，以及Z/Linear/None/Flat计权（即：不计权），如图：

图2  频率计权曲线
图片注释：
紫色：Z/Linear/None/Flat计权
红色：C计权
绿色：B计权
蓝色：A计权
（附注：C计权曲线与B计权曲线在中频段以上保持重合，因此红色曲线未能直观显示）

声级计经过频率计权滤波器测得的声压级称为声级，根据所使用的计权滤波器不同，分别称为A声级、B声级和C声级。

A计权
模拟人耳对等响曲线40方纯音的响应，测量结果单位标注为：dB(A)；
B计权
模拟人耳对等响曲线70方纯音的响应，测量结果单位标注为：dB(B)；
C计权
模拟人耳对等响曲线100方纯音的响应，测量结果单位标注为：dB(C)。
国际电工委员会IEC 61672-2-2003对A、C、Z频率计权的范围定义（部分频率）：

频率	31.5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000	16000
A计权	-39.4	-26.2	-16.1	-8.6	-3.2	0	1.2	1	-1.1	-6.6
C计权	-3	-0.8	-0.2	0	0	0	-0.2	-0.8	-3	-8.5
Z计权	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

表格注释：

频率单位：Hz
计权单位：dB(A)、dB(C)、dB(Z)

附注：除此之外，还有一种特殊的计权：D计权，来自全国电声学标准化技术委员会制定的标准：GB/T 6446-1986，是用于飞机噪声测量而特别制订的频率计权，由国家标准局于1986年发布1987年实施，此标准已于2005年作废。

关于计权选择：
1、在环境噪声声级测量中选择A计权，目的是反映人对噪声的主观感觉，用于噪声评价（NR：Noise Rating）的主要指标；
2、在有效声（音乐、测试信号等）声级测量中选择C计权或不计权（Z/None/Flat），目的是用于了解可听声范围内的总声压级；
3、音响产品在研发过程中测试的幅频响应曲线选择不计权（Z/None/Flat），目的是如实反映产品的原始特性；
4、音响系统在多数扩声应用现场优化中测试的幅频响曲线选择计权（B/C），目的是趋近实际应用的主观听感需求。

另外，我们在Smaart声学测量软件中会发现有None、A、B、C、X计权可选，前四种上面已经了解，那么X计权是什么情况下用的呢？

X计权，来自影视工程师协会标准：SMPTE ST0202-2010，是专用于电影院音响系统优化而设计，如图：



3  X计权曲线
图片注释：
灰色：X计权
我们会发现X计权主要变化是在高频段，大约在2KHz以上呈-3dB/oct衰减趋势。

部分原因：
1、电影院的透声幕对高频直达声有一定衰减；
2、电影院建声材料对高频反射声吸收较明显；
3、电影院伴随空间增大空气对高频有所衰减。

也正是基于至少这三种不定因素，所以这是一条包含未知或不确定计权数据的折中曲线，X计权的“X”也正是表达了这个含义。

所以，在电影院音响系统优化中测试的幅频响曲线应选择X计权，并且在此基础上稍作修正，这样才符合电影院的要求。

关于等响与好听：
这里顺带提及一个小话题，有人说：“我选用了计权并调平了频响曲线之后，为什么并不觉得好听呢？”之所以会产生这样的疑惑，其实是对计权概念的理解有一些偏差。

首先，假定你的音响系统本底失真低到忽略不计，也没有环境条件带来的干扰损耗，这里面还牵涉到至少几个概念：
1、制定计权标准的初衷是测量噪声声级；
2、所选计权类型与实际重放音量不对应；
3、计权曲线仅代表弱中强三种参考声级；
4、计权曲线是对等响度曲线的简化曲线；
5、非稳态声音无法恒定对应一种计权值；
6、单纯依照等响度曲线调整仅代表等响；
7、......

计权曲线基于等响度曲线，等响度曲线是为了说明人耳对声音感知的非线性，等响≠好听。就好比是,如果钢琴的每一个琴键按下发出的声音都一样响的话，那么弹奏出来的钢琴曲能好听吗？

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