車水馬龍的都市生活不僅帶來了繁華和便利，也讓噪音無處不在，忙碌的都市人懷著對星空和草原的向往，一有時間就往度假村和風(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，當(dāng)噪聲都消失時又是何種情景呢？曾經(jīng)有人做過一個實驗，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，幾乎所有實驗參與者都感覺到異樣，他們開始聽到心臟跳動甚至血液在血管里流動的聲音。而在平時的日常生活中，因為周圍各種聲音的干擾，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培訓(xùn)的聽音者，讓他們面對聲源，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，從頻率上來講就是我們常說的20Hz-20kHz。在我們的日常生活中，語言和音樂是除了噪聲之外我們最熟悉的聲音。因為發(fā)聲結(jié)構(gòu)和方式不同，人耳對這兩種聲音的感知也不相同。一般來說，語言的聽覺區(qū)域位于人耳可聽區(qū)域的中間位置，聲壓級的動態(tài)范圍約為42dB，主要占據(jù)170-4000Hz的頻率范圍，涵蓋了約4.5個倍頻程。相對而言，音樂的聽覺區(qū)域要明顯更大一些，有著75dB的動態(tài)范圍以及50-8500Hz的頻率范圍，跨度約為7.5個倍頻程。而不規(guī)則形狀的可聽區(qū)域也昭示著人耳對不同頻率的靈敏度是不一樣的。
從著名的等響曲線開始說起
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著名實驗，并能很好地說明聲壓級和響度這兩個概念的區(qū)別和關(guān)系。每一條頻響曲線都以1kHz的某個聲壓級（0dB、10dB、20dB……）為參考響度，實驗對象從不同頻率的13個聲壓級中找出和參考響度聽起來相同的一個，將這些點連接成線，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”的概念，它的單位為“方（phon）”，比如，穿過1kHz處聲壓級為60dB的等響曲線被稱為60方等響曲線，或者說，60方等響曲線上的聲音響度級為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，超過這個響度，人耳就會感到不適，甚至受到損害。
如果對整個等響曲線的圖表進(jìn)行分析，可以看出人耳對低頻部分并不敏感，但非常容易能捕捉到4kHz附近的頻率。所以不同頻率、聲壓級相同的兩個聲音，人耳不一定都能聽到，換句話說，就算聽到感覺也并不相同。30方響度級下，20Hz聲音的聲壓級要比1kHz高58dB，而在90方響度曲線中，這個差值縮小到32dB，可見聲壓級越大，曲線越平直。也就是說，高聲壓級的情況下，人耳聽到的頻響范圍會更寬。這一生理規(guī)律導(dǎo)致音箱的重播質(zhì)量會受到音量設(shè)置的影響，再好的音箱如果聲壓級小，一樣會感覺動態(tài)被壓縮。而從整個實驗和繪制過程來看，等響曲線并不是完全客觀的數(shù)據(jù)，包含了主觀色彩，因為它涉及到人耳對響度的感知和判斷。
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
語言的聽覺區(qū)域位于人耳可聽區(qū)域的中間位置，音樂的聽覺區(qū)域比語言更大
可以互相轉(zhuǎn)換的“響度級”和“宋”
因為從字面上看，響度級太像響度的單位，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、響度級為40方（或聲壓級為40dB）的響度大小。根據(jù)大量實驗統(tǒng)計得出的數(shù)據(jù)，一般來說，聲壓級每增加10dB，大部分人會感覺到響度增加一倍，減少10dB，響度會減少一半。為什么要在1宋的定義里引入響度級的概念呢？因為透過等響曲線，我們可以得知1宋響度下，不同頻率的聲壓級各是多少，然后根據(jù)聲壓級和響度的關(guān)系，將其轉(zhuǎn)換為宋，再進(jìn)行疊加，這樣一來就能大概估計噪聲的響度。聲壓級是機(jī)器測出來的音量，響度是人耳感覺到的音量。比起聲壓級的對比，響度對比會更加直觀清晰。
“響度級”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)語的響度，會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，響度一般也會隨之提高。隨著與聲源距離的增加，聲音強(qiáng)度會減小。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的功率放大器來驅(qū)動揚聲器時，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)時間縮短時，人耳感覺到的響度會下降。W.A.Munson曾做過一個實驗，利用125Hz、1000Hz和5650Hz三個純音，逐漸縮短聲音的持續(xù)時間，測得相同響度的純音聲壓級。從實驗結(jié)果可以看到，當(dāng)持續(xù)時間變短時，會感到高頻聲音的響度變小。但這并不意味聲音持續(xù)時間越長，響度就會越大，人耳在0.2s內(nèi)會對聲能進(jìn)行累積，如果聲音持續(xù)時間超過這個時間，響度也不再增加。
聲壓級、聲壓和分貝
和響度相比，聲壓級就是一個嚴(yán)格意義上的物理術(shù)語。說到聲壓級，這個影音界無人不知，無人不用的專業(yè)術(shù)語，不知道各位能不能準(zhǔn)確說出它的定義呢？而對于常常和它捆綁出現(xiàn)的“分貝”，細(xì)究起來其實也沒有那么簡單。在日常的交流中，我們常說“聲壓是多少？”“聲壓一樣嗎？”反而很少說“聲壓級”。但從本質(zhì)來說，“聲壓級”和“聲壓”是兩個不同的概念。我們都知道，聲音是通過振動產(chǎn)生，當(dāng)聲波在空氣中傳播時，會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、聲壓級相同的兩個聲音，人耳不一定都能聽到
這個概念還是比較好理解的，但聲壓級（Sound pressurelevel，通�？s寫為SPL）就不一樣了。按維基百科的定義，“聲壓級是指以對數(shù)尺衡量有效聲壓相對于一個基準(zhǔn)值的大小，用分貝（dB）來描述其與基準(zhǔn)值的關(guān)系。”簡直就是傳說中“每個字都認(rèn)識，但放在一起就看不懂”的生動范例。想要弄懂聲壓級，需要先弄懂分貝。你可能會覺得，分貝有什么難懂的，它不就是聲壓級的單位嗎？當(dāng)然不是。“分貝（decibel）”是一個很廣的概念，是量度兩個相同單位之?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于復(fù)雜，下面我們直接看聲壓級和分貝的計算公式：SPL=20log10(p/pref)dB，其中p=聲壓，pref=參考聲壓。
這時再回頭看聲壓級的概念，是不是就清楚很多，所謂的“對數(shù)尺”其實就是對數(shù)的計算方式，“基準(zhǔn)值”指的是參考聲壓。在有些專業(yè)書籍中，會直接將聲壓級稱為聲壓的對數(shù)值。
穿過1kHz處聲壓級為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、響度級為40方（或聲壓級為40dB）的響度大小
聲級計通常會提供A、B、C三種計權(quán)
為什么要用聲壓級來表示聲音的強(qiáng)弱？
看到這里，我們已經(jīng)知道聲壓級和聲壓是不同的概念，也了解了它們之間的計算公式，接下來重點討論，為什么要用聲壓級來表示聲音的強(qiáng)弱，而不直接采用聲壓？曾經(jīng)有人做過一個實驗，先在一間房間中放置一個聲源，把它調(diào)節(jié)到一個較低的聲音，有著一個單位的聲壓，記下響度。接著逐漸增加聲壓，直到響度增加1倍，此時的聲壓為10個單位。如果把聲壓增加到1000個單位，為了使響度加倍，聲壓則必須從1000增加到100000個單位。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)。可見，用比值來表示數(shù)以十億倍的聲壓范圍會更加簡單直觀，雖然這種比值并不完美，但是用分貝所表示的聲壓級已經(jīng)可以足夠接近。而為了方便比較，必須有一個參考聲壓（pref），對于空氣來說，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)的聲級計
下面我們來說說用于讀取聲壓級的設(shè)備——聲級計。從等響曲線可以看出，人耳對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下會更加明顯。為了模仿人類的聽覺系統(tǒng)，聲級計通常會提供A、B、C三種計權(quán)，它們能讓聲級計的讀數(shù)更加貼近聲音的相對響度。其中A計權(quán)的頻響曲線是40方等響曲線的反轉(zhuǎn)，B計權(quán)是70方等響曲線的反轉(zhuǎn)，C計權(quán)是100方等響曲線的反轉(zhuǎn)。選擇哪種計權(quán)要根據(jù)測量對象的聲壓級大小來確定。聲壓級在20-55dB之間，選擇A計權(quán)；在55-85dB之間，選擇B計權(quán)；在85-140dB之間，選擇C計權(quán)。通常來說，A計權(quán)更加常用，用它測量時，最終的測量值會標(biāo)明dBA。由于A計權(quán)在1kHz以上是基本平直的，因此dBA與未計權(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，表示信號有著明顯的低頻成分。
日常生活中大部分聲音的聲壓級對比
用聲壓級來表示數(shù)以十億倍的聲壓范圍會更加簡單直觀
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在日常工作中，經(jīng)常會和響度也就是音量一起提及的概念“增益”，它通常表示信號輸入和信號輸出的比率，也就是我們常說的放大倍數(shù)，同樣可以用分貝作為單位，用對數(shù)表示。而且增益的調(diào)整也會引起整體音量的變化，所以有些人會容易搞混這兩個概念。其實從定義上可知，增益決定的是輸入信號的強(qiáng)弱，增益越高，揚聲器的靈敏度越高，但信噪比會相應(yīng)降低，更容易產(chǎn)生雜音。而我們通常在前級或是合并式放大器前面板看到的那個大旋鈕就是音量調(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)備寫這篇文章的時候，我還擔(dān)心會不會太過簡單，畢竟都是概念問題，可能三言兩語就能說完。動筆之后才發(fā)現(xiàn)，雖然這些與聲音強(qiáng)弱有關(guān)的概念和術(shù)語在日常的工作生活中經(jīng)常出現(xiàn)，我們隨時張口就來，但要真正準(zhǔn)確地說出它們的定義、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)知識的時候，情況會變得更加復(fù)雜。有些人可能會覺得又不需要考試，何必對所謂的概念“斤斤計較”，但是沒有任何一個概念是獨立存在的，總會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用。希望在各位想要進(jìn)一步了解響度、聲壓級、分貝等與聲音相關(guān)的概念時，這篇文章能提供一定的參考。
參考資料：
✽《聲學(xué)手冊第5版》，F(xiàn).Alton Everest/Ken C.Pohlmann著，鄭曉寧譯，人民郵電出版社，2016年
✽《揚聲器系統(tǒng)》，山本武夫編著，王以真、吳光威、張紹高譯校，國防工業(yè)出版社，2010 年
✽《語言學(xué)名詞》，語言學(xué)名詞審定委員會編，北京: 商務(wù)印書館，2011年
✽《實驗語音學(xué)概要》，吳宗濟(jì)、林茂燦主編，北京: 高等教育出版社，1989年
✽《語音學(xué)》，朱曉農(nóng)著，北京: 商務(wù)印書館，2010年
