知识点 | 什么是心理声学及其在产品设计中的作用

本文原刊登于Ansys Blog：《Psychoacoustics: Understanding the Listening Experience》

作者：Antoine Minard | Ansys首席研发工程师

编辑整理：李彦昊 | Ansys高级应用工程师

每个人对声音的感知不尽相同。我们的身体、所处的环境和认知语境，都会影响我们‍对周围声音含义的解读。我们能够分辨出这个声音吗？这个声音是令人惊讶的还是意料之中的？这个声音是否与我们的其它感官获得的信息保持一致？由于我们听到的声音在很大程度上受到我们认为自己听到的声音的影响，因此任何关于人类听觉的讨论都应该包括对声音感知的研究，即心理声学。

心理声学是一门研究人类如何感知声音的学科。这是一个相对新兴的领域，它始于十九世纪末期，旨在帮助通信业的发展。心理声学将声音的生理学（我们的身体如何接收声音）与声音的心理学（我们的大脑如何解读声音）相结合。这些科学知识共同帮助我们了解声音如何以及为什么会对人们产生不同的影响。

从人体外耳的形状到耳蜗的螺旋形管道，甚至是头骨的谐振属性，有许多物理属性会影响声波将如何穿过我们的身体并进入我们的大脑。甚至随着年龄的增长，我们处理不同频率的能力也会发生变化，这意味着人的一生中能够听到的声音可能略有不同。 

人耳的解剖结构

一般来说，人类只能听到可听频谱的一小部分。人类的听觉频率范围介于大约20Hz到20kHz之间，这非常适合语音识别和听音乐，但不适用于识别火山爆发等超高频或低频的声音。

即使人类中最灵敏的耳朵也无法听到次声（低于20Hz的噪声）或超声波（高于20kHz的噪声）。虽然大象、蝙蝠和海豚等一些动物可以听到更宽的声音频率范围，但世界上的大多数声音对于人类而言是寂静的，因为它超出了我们生理学允许的听觉阈值。

可能影响声音感知的生理因素包括：

• 耳朵形状和大小

• 骨密度

• 体重

生理差异会影响我们能听到哪些声音，而我们的大脑能够决定我们如何听到并感知它。我们的耳朵并非精确的机器，因此我们使用自己的认知能力来补偿声音的主观性。我们的大脑拥有一项重要的职责，即了解声音的含义，同时考虑到当下语境和个人经验来解码声音的来源和意图。

就像所有其它动物一样，我们将听觉作为主要的警报系统：我们应该逃跑还是大笑？这与实际声音的关系不大，而与我们的大脑的解读方式有很大关系。例如，如果我们在一家人气旺盛的餐厅里听到玻璃破碎的声音，我们会假设是服务员掉落了一杯饮料。这并不可怕。然而，如果同样的声音让我们从睡眠中惊醒，我们的大脑就会进入战斗或逃跑模式。声音的语境是心理声学中的众多考虑因素之一。

如果您读到用红色墨水印刷的绿色这一个词，视觉上的不一致可能会让您的大脑迟疑片刻。这种语境偏见也可以通过声音来欺骗我们的大脑。我们的大脑不断地努力识别声音，并依靠视觉和环境线索来帮助我们高效地处理音频信息。在我们的大脑内部，对声音的感知是亲耳所听的现实，即使它并非总是准确的。

这些示例表明了语境如何影响我们大脑对所听到的声音的解读，这甚至可以刺激情绪反应。

• 音高是升高还是降低了？

• Daniel Pressnitzer的语境与听觉实验：http://audition.ens.fr/dp/illusion/

   

• 您听到了什么名字？

• Brad Story的Yanny或Laurel实验：

• 您能相信自己的耳朵吗？

• ASAPScience的听觉错觉：

• 激烈电影中的声音错觉

• Vox的‍Shepard音调：

人类如何感知声音的一个关键主观性，在于声音被认为是好的还是坏的。除了我们自己的个人经验和偏好之外，还有各种不同的方面帮助我们确定声音是令人厌烦还是令人愉悦的。这些心理声学指标一起帮助我们对声音进行评估。

心理声学指标

• 音高

• 响度

• 锐度

• 音调度

• 持续时间

• 粗糙度

声音的“好”与“坏”取决于您的大脑如何解读这些指标。例如，虽然都是G#这个音调，但我们听到长笛演奏与烟雾警报器发出的这个音调是截然不同的。从长笛接收到的声音的心理声学指标被您的大脑解读为舒缓，而警报器发出的相同音调则被视为威胁。

我们通过声音来感知世界的很多方面，因此许多行业将心理声学作为一项重要工具：

• 音乐和电影制作

• 汽车性能

• 建筑与环境设计

• 通信设备

• 社区警报系统

各个领域的工程师都依靠心理声学来为他们提供信息，即声音将如何影响其设计的体验方式。汽车工程师利用心理声学来增加跑车加速时的刺激感，而土木工程师则用它来了解高速公路的噪声会如何影响附近公园游客的愉悦感。

想要对人类大脑进行测量似乎天方夜谭。虽然您可以客观地观察大脑中的物理和化学变化，但对感知进行建模并非如此清晰可见。声音感知的研究依赖于心理声学实验，在这些实验中，听众被要求评估声音的不同方面，如音高和音色。为了量化这些结果，我们可以利用统计分析方法为声音感知进行准确建模。

Ansys Sound等工程软件使用数学和计算方法来进行人类大脑处理声音的仿真。虽然它们无法说明感知的所有细微差别，但这些模型可以帮助预测在不同条件下声音的体验方式，并识别听觉掩蔽等因素，从而为工程师优化设计提供宝贵洞察。

声音定位，用于表示我们的大脑如何在所处的环境中识别声源位置。声音是来自我们的前方还是后方？是来自高处还是低处？例如，在电影中，声音定位告诉我们恐龙将从哪个方向攻击。此外，它还有助于探测小路上一辆正在靠近的自行车，或知道何时需要靠边停车，以等待救援车辆。

心理声学对于声音定位至关重要，因为它可提供如何解读我们接收到的声音线索的洞察。自行车在小路上有足够的空间吗？还是我们需要站到一边？救援车辆是向我们驶来还是离我们而去？为了回答这些位置问题，我们的大脑处理并比较从双耳收集到的信息，包括时间和强度。

心理声学研究使人类能够了解他们所听到的声音。通过我们的听觉系统和认知能力的强大结合，我们不仅可以接收周围的声音，还可以为它们赋予含义，从而有助于我们保持安全，良好沟通，并尽情享受这个世界永不停歇的“声音盛宴”。