掩蔽的時間效應

前面的章節中已描述了用持久的測試音和掩蔽聲在穩態狀態下進行掩蔽。然而,在音樂或語音中,信息的傳遞意味著聲音具有很強的時間特性。響亮的聲音之後是微弱的聲音,反之亦然。在語音中,元音通常代表聲音最響的部分,而輔音相對較弱。爆破音是一個典型的例子,它通常被前面的元音掩蔽。這種效應的產生不僅是由於接收語音的房間的混響特性,而且在自由場條件下,由於掩蔽作用的時間效應,它表徵了我們的聽覺系統。


為了定量地測量這些效應,描述了有限持續時間的掩蔽聲,並用短的猝發音或短脈衝音測試掩蔽聲效應。此外,短時信號相對於掩蔽聲在時間上進行了移動,如圖4-17所示,其中200ms掩蔽聲掩蔽持續時間儘可能短的短猝發純音,短猝發音的持續時間相對於掩蔽聲的持續時間可以忽略不計。在這種情況下,使用兩種不同的時間尺度是有利的:第一種情況,Δt值對應的時間是相對於掩蔽聲開始的時間,正負值都存在。第二種情況,時間從掩蔽聲的末端開始。這個時間通常稱為延遲時間,用td表示。用作縱座標不是測試猝發純音的聲壓級,而是高於該聲閾值的聲壓級。這個量級被稱為感知量級。相對於掩蔽刺激聲出現的區域,可以區分出掩蔽的三個不同的時間區域。前掩蔽發生在掩蔽聲開啟之前的那段時間。在這段時間裡,Δt為負值。在刺激聲前掩蔽之後,掩蔽聲和測試音同時出現時,同時掩蔽效應也隨之發生。在這種情況下,Δt是正值。掩蔽聲關閉後,發生刺激聲後掩蔽,通常稱為後掩蔽。在給定正延遲時間td的時間內,掩蔽聲在物理上不存在,然而,它仍然產生掩蔽。

掩蔽的時間效應

圖4-17說明和特徵化前掩蔽,同時掩蔽和後掩蔽的示意圖。注意,相比前掩蔽和同時掩蔽,後掩蔽使用不同的時間起點


後掩蔽效應對應於掩蔽聲效應中的衰減,或多或少是可預料的。然而,前掩蔽是一種不可預見的效應,因為它出現在掩蔽聲開啟之前的一段時間。當然,這並不意味著我們的聽覺系統能夠聽到未來。相反,如果一個人意識到包括前掩蔽在內的每一種感知並不是瞬時存在的,而是需要一個形成時間才能被感知,那麼這種效應是可以理解的。如果我們假設響的掩蔽聲的形成時間較短,而微弱的測試音的形成時間較長,那麼我們可以理解為什麼會存在前掩蔽。前掩蔽可以測量的時間相對較短,僅持續約20ms。另一方面,後掩蔽可以持續超過100ms,並在大約200ms的延遲後結束。因此,後掩蔽效應是主要的非同時掩蔽效應。


4.1.1同時掩蔽

靜音閾值和掩蔽閾值都取決於測試音的持續時間。為了討論非同時掩蔽中的時間效應,必須瞭解這些依賴關係,因為這種測量需要非常短的測試音。可以區分兩種依賴關係:一種是閾值對單個測試音持續時間的依賴關係,另一種是對重複短測試音重複率的依賴關係。圖4-18說明了正弦測試猝發純音的第一個依賴關係。靜音閾值TQ用虛線表示,猝發純音由聲壓級為40和60dB的均勻掩蔽噪聲掩蔽的閾值用實線表示。這兩個依賴關係,是持續時間的函數,也是重複率的函數,對於靜音閾值和掩蔽閾值這兩個依賴關係相同。對持續時間的依賴表明,對於持續時間超過200ms的測試純音閾值是恆定的,這與持久的聲音閾值相對應。當持續時間小於200ms時,靜音閾值和掩蔽閾值隨持續時間的減少而增加,速率為每變化10倍增加10dB。這種行為可以通過假設聽覺系統在200ms內整合了聲強來描述。該效應的頻率依賴性由不同的靜音閾值曲線來表示。在均勻的掩蔽噪聲下,掩蔽閾值與頻率無關(圖4-2),兩條實線在可聽範圍內貫穿所有頻率。對重複率的依賴表現出與聽覺系統整合超過200ms的聲強的假設所預測的功能相似。200ms的時間間隔相當於5Hz的重複率。因此,當重複率小於5Hz時,閾值與重複率無關,而當重複率大於5Hz時,閾值減小,直至達到穩態狀態。這種情況發生在重複率為200Hz的5ms的猝發純音中。

掩蔽的時間效應

圖4-18猝發純音LT*在安靜環境下剛剛可聽的量級(TQ,虛線,三個不同頻率的測試純音),以及被給定量級的均勻掩蔽噪聲掩蔽下的剛剛可聽的量級(實線),它是其持續時間的函數。注意,LT*是一個連續純音的量級,它是從猝發測試純音中提取出來的。細破折線表示漸近線;音頻文件:Track 12

track 12來自模態空間00:0000:18


降低猝發純音的持續時間會擴展其頻譜。這種效應將最短的可用持續時間限制在一個值上,在這個值上,譜寬對應於臨界頻帶的寬度。在窄的頻譜範圍內的快速上升時間是由高斯升降產生的。因此,高斯型的猝發純音通常被用來測量時間效應。


如果使用從均勻激勵噪聲中提取的猝發聲作為測試音,那麼作為測試音持續時間的函數的靜音閾值取決於持續時間,其方式與猝發純音類似(見圖4-19中的虛線)。然而,由均勻掩蔽噪聲掩蔽的猝發噪聲的閾值顯示出一種不同的依賴關係,如圖4-19中的實線所示。從穩態狀態,即從長的持續時間來看,掩蔽閾值隨著持續時間的減少而逐漸增加,而與猝發純音測量的增加相比則有所減少。

掩蔽的時間效應

圖4-19由給定量級的連續均勻掩蔽噪聲來掩蔽均勻激勵猝發噪聲的量級是猝發噪聲持續時間的函數。虛線表示靜音閾值,細破折線表示漸近線


掩蔽閾值與靜音閾值之間的依賴關係的差別,可以從以下方面看出:靜音閾值只在一個小的頻率範圍內有效地測量,即聽力系統對其最敏感的頻率範圍。這意味著,在安靜環境下,寬帶噪聲的閾值實際上是用頻率成分在3kHz左右的窄帶測試音來測量的。因此,寬帶噪聲的靜音閾值與以聽覺系統最敏感的頻率範圍為中心的窄帶噪聲的閾值相似。在最敏感的頻率範圍之外的噪聲成分似乎被忽略了。


對重複率的依賴表現出了與我們已經討論過的純音的效果相似。掩蔽閾值對非常小的重複率(最高約10Hz)保持不變。對於較大的重複率,它再次降低,最終達到穩定狀態。


在同時掩蔽的範圍內,在掩蔽聲開啟後不久會出現額外的效應。圖4-20中右上角的小插圖為這種實驗所用的時間結構。一個高頻測試純音(5kHz)用於產生短的測試猝發音。掩蔽猝發音是由白噪聲產生的,相對於測試猝發音的持續時間較長。對於20dB的掩蔽聲譜密度量級,掩蔽閾值是圖4-20中所示的測試猝發音持續時間的函數。如果在掩蔽聲開始後200ms出現測試猝發音,則閾值對持續時間的依賴關係與所知的穩態狀態的掩蔽聲沒有區別。對於非常小的Δt值,即2ms,短時間的掩蔽閾值顯示出與預期行為的強烈偏差:在2ms時它上升了10dB。這種增量只能在小於10ms的情況下測量到。

掩蔽的時間效應

圖4-20在譜密度為20dB的白噪聲掩蔽開始後的2ms(虛線)或200ms(實線)出現5 kHz測試猝發音,它的量級是其持續時間的函數。注意短持續時間內兩個延遲時間之間的差異(過沖效應)


這種效應(有時稱為過沖效應)也取決於掩蔽聲和測試音的頻譜成分。如果兩種聲音有相似的頻譜,這種效應就消失了。圖4-21給出了掩蔽聲的兩個不同帶寬的示例。首先,掩蔽聲是白噪聲(如圖4-20所示),結果用虛線表示。第二,實線顯示是掩蔽聲的中心頻率為5kHz,寬度為臨界帶寬的結果。從掩蔽聲開始到2ms測試猝發純音開始之間的延遲時間Δt為橫座標。寬帶掩蔽聲的過沖效應在非常小的Δt值處最大,在Δt值較大時減弱,約200ms後完全消失。過沖效應不會出現在窄帶掩蔽聲上。用寬帶噪聲測量的這個效應可以達到10dB,有時甚至對非常短的TT值更大。然而,應該指出的是,個體差異有時非常大,大約為10dB。

掩蔽的時間效應

圖4-21過沖效應,即2ms持續時間的5kHz測試猝發音量級作為延遲時間的函數。5kHz的掩蔽聲的譜密度量級為25 dB,並且帶寬為一個臨界帶寬(實線)或白噪聲帶寬(虛線)。


4.4.2 前掩蔽

圖4-17介紹了前掩蔽出現的時間區域。前掩蔽主要是通過掩蔽單個猝發音來測量的,而重複的結果只能從訓練有素的受試者那裡獲得。即使對於這些訓練有素的受試者,結果的再現性比同時掩蔽或後掩蔽差。


到目前為止,還不能確定是否前掩蔽取決於掩蔽聲的持續時間。前掩蔽對掩蔽聲量級的依賴性可以這樣描述:在任何條件下,前掩蔽持續約20ms。這意味著閾值保持不變,直到Δt達到負值20ms。在此之後,閾值上升並達到接近掩蔽聲開啟時刻的同時掩蔽的量級。單獨的前掩蔽扮演一個相對次要的角色,因為影響只持續20ms,因此通常被忽略。然而,前掩蔽和後掩蔽將在第4.4.4節中與時間掩蔽模式同時討論。


4.4.3 後掩蔽

高斯型縮聚脈衝的持續時間只有20μs,產生的頻譜形狀與白噪聲相對應。它類似於狄拉克脈衝。因此,白噪聲掩蔽聲產生的後掩蔽效應可以用這種短暫的高斯脈衝作為測試音來測量,而不受頻譜影響。以量級表示的高斯脈衝的峰值被繪製為圖4-22中的縱座標,該縱座標表示從掩蔽聲末端開始的延遲時間td作為後掩蔽中的閾值所需的量級。圖中的參數是白噪聲掩蔽聲的總量級。實線表示掩蔽聲關閉後的前5ms幾乎沒有衰減。這裡的值與同時掩蔽聲中測量的值一致。在大約5ms延遲時間之後,後掩蔽閾值開始降低,在大約200 ms延遲時間時,達到靜音閾值。圖4-22中的破折線表示時間常數為10ms的指數衰減。對比破折線和實線表明,後掩蔽效應不能用指數衰減來描述。

掩蔽的時間效應

圖4-22後掩蔽:在給定量級的白噪聲掩蔽聲偏移後,作為延遲時間(橫座標)函數的剛能聽到的20μs高斯壓力脈衝的峰值量級。破折線表示對數橫座標上的指數衰減形式


後掩蔽取決於掩蔽聲的持續時間。圖4-23顯示了一個典型的測量結果,在這個例子下,使用一個持續時間為5ms的2kHz猝發純音作為測試音。同樣,在掩蔽聲結束後,開啟測試猝發純音的時刻設定為橫座標。測試猝發純音的量級是縱座標。掩蔽聲持續時間為200ms時,實線表示後掩蔽的情況與圖4-22所示類似。與此不同的是由猝發掩蔽聲產生的後掩蔽效應,僅持續5ms,如圖4-23中的虛線所示。在這種情況下,衰減開始時更陡峭。這意味著後掩蔽嚴重依賴於掩蔽聲的持續時間,因此是一種高度非線性的效應。

掩蔽的時間效應

圖4-23 後掩蔽依賴於掩蔽聲持續時間:在持續時間為200ms和5ms的掩蔽聲偏移後,剛剛可聽到的測試猝發音的量級被指示為其延遲時間的函數。均勻掩蔽噪聲為60dB;2kHz測試音的持續時間為5ms。注意,本例中的延遲時間是掩蔽聲結束到測試音結束之間的時間


:翻譯自Hugo Fastl,Eberhard Zwicker,Psychoacoustics:Facts and Models,Springer,2006


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