車水馬龍的都市生活不僅帶來(lái)了繁華和便利，也讓噪音無(wú)處不在，忙碌的都市人懷著對(duì)星空和草原的向往，一有時(shí)間就往度假村和風(fēng)景區(qū)跑，美其名曰：躲清閑。我們厭惡吵鬧，渴望安靜，但你是否想過(guò)，當(dāng)噪聲都消失時(shí)又是何種情景呢？曾經(jīng)有人做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，參與者被關(guān)在一間墻面非常厚的消音室內(nèi)，什么都不用做，只需坐在椅子上靜靜等待。幾分鐘后，幾乎所有實(shí)驗(yàn)參與者都感覺到異樣，他們開始聽到心臟跳動(dòng)甚至血液在血管里流動(dòng)的聲音。而在平時(shí)的日常生活中，因?yàn)橹車鞣N聲音的干擾，我們往往“聽不到”自己身體發(fā)出的聲音。
為了搞清楚人類的聽力范圍，研究者們又召集了一群受過(guò)培訓(xùn)的聽音者，讓他們面對(duì)聲源，判斷已知頻率的單音是否能夠剛剛聽到或者已經(jīng)開始感到疼痛，最終得到人耳的可聽區(qū)域，從頻率上來(lái)講就是我們常說(shuō)的20Hz-20kHz。在我們的日常生活中，語(yǔ)言和音樂(lè)是除了噪聲之外我們最熟悉的聲音。因?yàn)榘l(fā)聲結(jié)構(gòu)和方式不同，人耳對(duì)這兩種聲音的感知也不相同。一般來(lái)說(shuō)，語(yǔ)言的聽覺區(qū)域位于人耳可聽區(qū)域的中間位置，聲壓級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍約為42dB，主要占據(jù)170-4000Hz的頻率范圍，涵蓋了約4.5個(gè)倍頻程。相對(duì)而言，音樂(lè)的聽覺區(qū)域要明顯更大一些，有著75dB的動(dòng)態(tài)范圍以及50-8500Hz的頻率范圍，跨度約為7.5個(gè)倍頻程。而不規(guī)則形狀的可聽區(qū)域也昭示著人耳對(duì)不同頻率的靈敏度是不一樣的。
從著名的等響曲線開始說(shuō)起
早在1933年，H.Fletcher和W.A.Munson就開始了相關(guān)課題的研究，隨后多名科學(xué)家也加入其中，做了多次修正，最終由Robinson和Dadson所完成的“等響曲線”正式被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO226）所采用。等響曲線的繪制同樣涉及到一個(gè)著名實(shí)驗(yàn)，并能很好地說(shuō)明聲壓級(jí)和響度這兩個(gè)概念的區(qū)別和關(guān)系。每一條頻響曲線都以1kHz的某個(gè)聲壓級(jí)（0dB、10dB、20dB……）為參考響度，實(shí)驗(yàn)對(duì)象從不同頻率的13個(gè)聲壓級(jí)中找出和參考響度聽起來(lái)相同的一個(gè)，將這些點(diǎn)連接成線，便是等響曲線。為了比較清楚區(qū)分和稱呼不同的等響曲線，我們又有了“響度級(jí)”的概念，它的單位為“方（phon）”，比如，穿過(guò)1kHz處聲壓級(jí)為60dB的等響曲線被稱為60方等響曲線，或者說(shuō)，60方等響曲線上的聲音響度級(jí)為60方，其它以此類推。0方曲線是人耳能聽到的最小的聲音響度，即聽閾，最上方的120方曲線是人耳能承受的最大聲音響度，即痛閾，超過(guò)這個(gè)響度，人耳就會(huì)感到不適，甚至受到損害。
如果對(duì)整個(gè)等響曲線的圖表進(jìn)行分析，可以看出人耳對(duì)低頻部分并不敏感，但非常容易能捕捉到4kHz附近的頻率。所以不同頻率、聲壓級(jí)相同的兩個(gè)聲音，人耳不一定都能聽到，換句話說(shuō)，就算聽到感覺也并不相同。30方響度級(jí)下，20Hz聲音的聲壓級(jí)要比1kHz高58dB，而在90方響度曲線中，這個(gè)差值縮小到32dB，可見聲壓級(jí)越大，曲線越平直。也就是說(shuō)，高聲壓級(jí)的情況下，人耳聽到的頻響范圍會(huì)更寬。這一生理規(guī)律導(dǎo)致音箱的重播質(zhì)量會(huì)受到音量設(shè)置的影響，再好的音箱如果聲壓級(jí)小，一樣會(huì)感覺動(dòng)態(tài)被壓縮。而從整個(gè)實(shí)驗(yàn)和繪制過(guò)程來(lái)看，等響曲線并不是完全客觀的數(shù)據(jù)，包含了主觀色彩，因?yàn)樗婕暗饺硕鷮?duì)響度的感知和判斷。
藍(lán)色曲線是H.Fletcher和W.A.Munson得出的等響曲線，紅色曲線是被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO226）所采用的等響曲線，由Robinson和Dadson所完成，兩者還是有不小的區(qū)別
語(yǔ)言的聽覺區(qū)域位于人耳可聽區(qū)域的中間位置，音樂(lè)的聽覺區(qū)域比語(yǔ)言更大
可以互相轉(zhuǎn)換的“響度級(jí)”和“宋”
因?yàn)閺淖置嫔峡�，響度�?jí)太像響度的單位，有些人很容易將它與響度真正的單位“宋（sone）”搞混。1宋被定義為1kHz頻率、響度級(jí)為40方（或聲壓級(jí)為40dB）的響度大小。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出的數(shù)據(jù)，一般來(lái)說(shuō)，聲壓級(jí)每增加10dB，大部分人會(huì)感覺到響度增加一倍，減少10dB，響度會(huì)減少一半。為什么要在1宋的定義里引入響度級(jí)的概念呢？因?yàn)橥高^(guò)等響曲線，我們可以得知1宋響度下，不同頻率的聲壓級(jí)各是多少，然后根據(jù)聲壓級(jí)和響度的關(guān)系，將其轉(zhuǎn)換為宋，再進(jìn)行疊加，這樣一來(lái)就能大概估計(jì)噪聲的響度。聲壓級(jí)是機(jī)器測(cè)出來(lái)的音量，響度是人耳感覺到的音量。比起聲壓級(jí)的對(duì)比，響度對(duì)比會(huì)更加直觀清晰。
“響度級(jí)”和“宋”可以互相轉(zhuǎn)換
影響主觀響度的客觀因素
作為主觀術(shù)語(yǔ)的響度，會(huì)受到很多客觀因素的影響，其中之一就是聲強(qiáng)（聲音強(qiáng)度），它指的是特定方向單位面積的聲功率，由發(fā)聲體振動(dòng)的振幅決定，振幅越大，聲強(qiáng)越強(qiáng)，相應(yīng)地，響度一般也會(huì)隨之提高。隨著與聲源距離的增加，聲音強(qiáng)度會(huì)減小。產(chǎn)生非常大的聲音，并不需要很大的聲功率，當(dāng)我們用100W的功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器時(shí)，或許它的效率很低，只有10%左右。就算我們把功放的功率由1W增加到2W，功率級(jí)也只增加了3dB，在響度上并不明顯。從100W增加到200W，或者從1000W增加到2000W也是一樣的。
另外，聲音持續(xù)時(shí)間縮短時(shí)，人耳感覺到的響度會(huì)下降。W.A.Munson曾做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，利用125Hz、1000Hz和5650Hz三個(gè)純音，逐漸縮短聲音的持續(xù)時(shí)間，測(cè)得相同響度的純音聲壓級(jí)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，當(dāng)持續(xù)時(shí)間變短時(shí)，會(huì)感到高頻聲音的響度變小。但這并不意味聲音持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，響度就會(huì)越大，人耳在0.2s內(nèi)會(huì)對(duì)聲能進(jìn)行累積，如果聲音持續(xù)時(shí)間超過(guò)這個(gè)時(shí)間，響度也不再增加。
聲壓級(jí)、聲壓和分貝
和響度相比，聲壓級(jí)就是一個(gè)嚴(yán)格意義上的物理術(shù)語(yǔ)。說(shuō)到聲壓級(jí)，這個(gè)影音界無(wú)人不知，無(wú)人不用的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，不知道各位能不能準(zhǔn)確說(shuō)出它的定義呢？而對(duì)于常常和它捆綁出現(xiàn)的“分貝”，細(xì)究起來(lái)其實(shí)也沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。在日常的交流中，我們常說(shuō)“聲壓是多少？”“聲壓一樣嗎？”反而很少說(shuō)“聲壓級(jí)”。但從本質(zhì)來(lái)說(shuō)，“聲壓級(jí)”和“聲壓”是兩個(gè)不同的概念。我們都知道，聲音是通過(guò)振動(dòng)產(chǎn)生，當(dāng)聲波在空氣中傳播時(shí)，會(huì)影響空氣的疏密程度，從而改變壓強(qiáng)，這就是聲壓（acousticpressure），單位為帕斯卡（Pa）。
不同頻率、聲壓級(jí)相同的兩個(gè)聲音，人耳不一定都能聽到
這個(gè)概念還是比較好理解的，但聲壓級(jí)（Sound pressurelevel，通�？s寫為SPL）就不一樣了。按維基百科的定義，“聲壓級(jí)是指以對(duì)數(shù)尺衡量有效聲壓相對(duì)于一個(gè)基準(zhǔn)值的大小，用分貝（dB）來(lái)描述其與基準(zhǔn)值的關(guān)系。”簡(jiǎn)直就是傳說(shuō)中“每個(gè)字都認(rèn)識(shí)，但放在一起就看不懂”的生動(dòng)范例。想要弄懂聲壓級(jí)，需要先弄懂分貝。你可能會(huì)覺得，分貝有什么難懂的，它不就是聲壓級(jí)的單位嗎？當(dāng)然不是。“分貝（decibel）”是一個(gè)很廣的概念，是量度兩個(gè)相同單位之?dāng)?shù)量比例的單位。為了避免涉及太多概念和公式而使文章顯得過(guò)于復(fù)雜，下面我們直接看聲壓級(jí)和分貝的計(jì)算公式：SPL=20log10(p/pref)dB，其中p=聲壓，pref=參考聲壓。
這時(shí)再回頭看聲壓級(jí)的概念，是不是就清楚很多，所謂的“對(duì)數(shù)尺”其實(shí)就是對(duì)數(shù)的計(jì)算方式，“基準(zhǔn)值”指的是參考聲壓。在有些專業(yè)書籍中，會(huì)直接將聲壓級(jí)稱為聲壓的對(duì)數(shù)值。
穿過(guò)1kHz處聲壓級(jí)為60dB的等響曲線被稱為60方等響曲線，其它以此類推
1宋被定義為1kHz頻率、響度級(jí)為40方（或聲壓級(jí)為40dB）的響度大小
聲級(jí)計(jì)通常會(huì)提供A、B、C三種計(jì)權(quán)
為什么要用聲壓級(jí)來(lái)表示聲音的強(qiáng)弱？
看到這里，我們已經(jīng)知道聲壓級(jí)和聲壓是不同的概念，也了解了它們之間的計(jì)算公式，接下來(lái)重點(diǎn)討論，為什么要用聲壓級(jí)來(lái)表示聲音的強(qiáng)弱，而不直接采用聲壓？曾經(jīng)有人做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，先在一間房間中放置一個(gè)聲源，把它調(diào)節(jié)到一個(gè)較低的聲音，有著一個(gè)單位的聲壓，記下響度。接著逐漸增加聲壓，直到響度增加1倍，此時(shí)的聲壓為10個(gè)單位。如果把聲壓增加到1000個(gè)單位，為了使響度加倍，聲壓則必須從1000增加到100000個(gè)單位。可以發(fā)現(xiàn)，前后兩次調(diào)整的聲壓比值都是10:1，但差值卻相差甚遠(yuǎn)�？梢�，用比值來(lái)表示數(shù)以十億倍的聲壓范圍會(huì)更加簡(jiǎn)單直觀，雖然這種比值并不完美，但是用分貝所表示的聲壓級(jí)已經(jīng)可以足夠接近。而為了方便比較，必須有一個(gè)參考聲壓（pref），對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)的參考聲壓為20（微帕斯卡），已知1帕斯卡約等于252000微帕斯卡，所以這個(gè)參考聲壓是非常小的，它是人耳在1kHz能產(chǎn)生聽覺的最低聲壓。
模仿人類聽覺系統(tǒng)的聲級(jí)計(jì)
下面我們來(lái)說(shuō)說(shuō)用于讀取聲壓級(jí)的設(shè)備——聲級(jí)計(jì)。從等響曲線可以看出，人耳對(duì)低頻和高頻部分的靈敏度都不高，而且這種情況在較低的聲壓級(jí)下會(huì)更加明顯。為了模仿人類的聽覺系統(tǒng)，聲級(jí)計(jì)通常會(huì)提供A、B、C三種計(jì)權(quán)，它們能讓聲級(jí)計(jì)的讀數(shù)更加貼近聲音的相對(duì)響度。其中A計(jì)權(quán)的頻響曲線是40方等響曲線的反轉(zhuǎn)，B計(jì)權(quán)是70方等響曲線的反轉(zhuǎn)，C計(jì)權(quán)是100方等響曲線的反轉(zhuǎn)。選擇哪種計(jì)權(quán)要根據(jù)測(cè)量對(duì)象的聲壓級(jí)大小來(lái)確定。聲壓級(jí)在20-55dB之間，選擇A計(jì)權(quán)；在55-85dB之間，選擇B計(jì)權(quán)；在85-140dB之間，選擇C計(jì)權(quán)。通常來(lái)說(shuō)，A計(jì)權(quán)更加常用，用它測(cè)量時(shí)，最終的測(cè)量值會(huì)標(biāo)明dBA。由于A計(jì)權(quán)在1kHz以上是基本平直的，因此dBA與未計(jì)權(quán)讀數(shù)的差別，主要體現(xiàn)在低頻部分。假如這兩種讀數(shù)有著較大差別，表示信號(hào)有著明顯的低頻成分。
日常生活中大部分聲音的聲壓級(jí)對(duì)比
用聲壓級(jí)來(lái)表示數(shù)以十億倍的聲壓范圍會(huì)更加簡(jiǎn)單直觀
容易混為一談的增益與音量
寫到這里，不免想起了另外一個(gè)在日常工作中，經(jīng)常會(huì)和響度也就是音量一起提及的概念“增益”，它通常表示信號(hào)輸入和信號(hào)輸出的比率，也就是我們常說(shuō)的放大倍數(shù)，同樣可以用分貝作為單位，用對(duì)數(shù)表示。而且增益的調(diào)整也會(huì)引起整體音量的變化，所以有些人會(huì)容易搞混這兩個(gè)概念。其實(shí)從定義上可知，增益決定的是輸入信號(hào)的強(qiáng)弱，增益越高，揚(yáng)聲器的靈敏度越高，但信噪比會(huì)相應(yīng)降低，更容易產(chǎn)生雜音。而我們通常在前級(jí)或是合并式放大器前面板看到的那個(gè)大旋鈕就是音量調(diào)整旋鈕，調(diào)的只是電阻，用以增大或減小電流。
小結(jié)
一開始準(zhǔn)備寫這篇文章的時(shí)候，我還擔(dān)心會(huì)不會(huì)太過(guò)簡(jiǎn)單，畢竟都是概念問(wèn)題，可能三言兩語(yǔ)就能說(shuō)完。動(dòng)筆之后才發(fā)現(xiàn)，雖然這些與聲音強(qiáng)弱有關(guān)的概念和術(shù)語(yǔ)在日常的工作生活中經(jīng)常出現(xiàn)，我們隨時(shí)張口就來(lái)，但要真正準(zhǔn)確地說(shuō)出它們的定義、區(qū)分彼此之間的相同和不同并不容易，尤其是涉及到相關(guān)物理和數(shù)學(xué)知識(shí)的時(shí)候，情況會(huì)變得更加復(fù)雜。有些人可能會(huì)覺得又不需要考試，何必對(duì)所謂的概念“斤斤計(jì)較”，但是沒(méi)有任何一個(gè)概念是獨(dú)立存在的，總會(huì)跟其它概念有或多或少、或深或淺的聯(lián)系，理解概念是理解定理和得出結(jié)論的基礎(chǔ)，而理解是為了更好的運(yùn)用。希望在各位想要進(jìn)一步了解響度、聲壓級(jí)、分貝等與聲音相關(guān)的概念時(shí)，這篇文章能提供一定的參考。
參考資料：
✽《聲學(xué)手冊(cè)第5版》，F(xiàn).Alton Everest/Ken C.Pohlmann著，鄭曉寧譯，人民郵電出版社，2016年
✽《揚(yáng)聲器系統(tǒng)》，山本武夫編著，王以真、吳光威、張紹高譯校，國(guó)防工業(yè)出版社，2010 年
✽《語(yǔ)言學(xué)名詞》，語(yǔ)言學(xué)名詞審定委員會(huì)編，北京: 商務(wù)印書館，2011年
✽《實(shí)驗(yàn)語(yǔ)音學(xué)概要》，吳宗濟(jì)、林茂燦主編，北京: 高等教育出版社，1989年
✽《語(yǔ)音學(xué)》，朱曉農(nóng)著，北京: 商務(wù)印書館，2010年
