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关于tonal噪声，你了解多少？（一）
2020-03-14 00:35:17· 来源：海德声科 HEAD acoustics
NVH技术部 昨天本期开始，我们将就tonal噪声的概念和分析手段做一个全方位的介绍，分期推送。生活中的tonal噪声我们的生活环境存在各种各样的声音。从信号能量分
生活中的tonal噪声
我们的生活环境存在各种各样的声音。从信号能量分布角度来说，可以分为宽频声音和窄带声音。宽频声音将能量均匀地分布在比较宽的频率范围，比如人耳可听到的所有频率成分的白噪声和粉红噪声；窄带声音就是我们常说的tonal信号，最极端的例子就是单频纯音信号。
宽频声音在日常生活中随处可“听”，比如风雨声、流水海浪声等，我猜想坐在劳斯莱斯里面听到的声音应该也是宽频的吧。人耳对于宽频声音比较容易接受，因为它往往会给人以稳定、平静的感觉。
Tonal信号我们就更熟悉了，比如家里吸尘器的声音，电脑风扇的声音，消防车的声音，还有睡觉时蚊子在耳边嗡嗡叫的声音等等。这种声音容易被人耳识别，会让人一直关注，从而产生警觉和紧张感，使人不舒服。
实际上乐器所发出来的声音基本上也都是tonal信号。乐音有基频和丰富的谐波成分，所以听起来很和谐。不过家里有学乐器的小朋友应该都深有体会，想要余音绕梁，绝非易事。当然，如果这个小朋友在邻居家，那这个领悟一定更加痛彻心扉……
当家电、机械、汽车等系统出现啸叫、轰鸣、单频纯音等情况时，会让用户会产生不愉悦感，从而严重影响用户体验。产品声品质的好坏已经成为决定生活品质的一个重要因素，因此对于tonal噪声的研究就更显迫切。尤其在新能源汽车领域，近些年最热门的心理声学参数可能就是与tonal噪声相关的指标了。
这么看来，tonal信号是不是你生活中的常客？可仔细一想，到底应该如何定义tonal信号？啸叫、轰鸣、音调、单频、纯音…好像这些表述都不够精确。到底多窄才算是窄带信号？高频窄带和低频窄带有区别吗？声音大小有关系吗？频率变化的信号还算是纯音信号吗？变化快慢有影响吗？
感觉一下子一脑门官司。不过大家最近都憋得慌，估计无聊的想拆家，那我们就找些事情来消遣寂寞，说不定你丰富的知识储备在不经意间外漏，让你立马变成整条街（gai）最靓的仔/囡。
首先我们必须理清窄带的概念，到底多窄才算是窄带信号呢？在此有请临界频带这个工具上场。
临界频带
临界频带是心理声学的一个基本概念。大量的试验表明，人耳对于频率比较接近的声音刺激，反馈是相同的，把这些频率合成特殊的频率带，叫临界频带，例如表1所示。乍一看，临界频带和倍频程的概念类似，都是把一些频率带组合起来，频带的宽度也差不多，低频包含的频率窄，越往高频越宽。会不会是以前的科学家比较穷，新瓶装旧酒，起个高端的名字，发文章的时候，能多码点字，多赚些稿费？我一直有这样的疑问……
表1 临界频带（Fastl and Zwicker）
我们都知道，倍频程是从音乐理论借用来的概念，用途广泛，其频带宽度是呈指数增加的，而且有严格的界限。但是临近频带则是完全从人的内耳这个生物系统出发的，反映了人耳对于声音的接受和识别的过程。
耳蜗是人耳最重要的听觉器官之一，能把接收到的机械振动转化成生物电信号，传输到大脑中识别声音。研究发现，把耳蜗这个蜗牛壳拉平展开后，耳蜗不同的位置，对不同的频率敏感性是不一样的。高频在耳蜗入口处更敏感，低频则在耳蜗顶端更敏感。而且高频所占的位置相比低频要少一些。相应的，高频的分辨能力要比低频也差一些。（耳蜗的工作原理有很多解释，比如行波原理、时延原理等等。有些还有争议，有兴趣可以翻看以前的公众号文章）。
那怎么才能知道人耳的频率分辨能力到底如何呢？或许有人会问，为啥要研究频率分辨能力，知道能听声音就行了呗？这个可是关键的问题，会影响到我们对声音的所有感受，比如：到底频率差别要有多少，我们才知道听到的是两个不同的声音?另外这还涉及到一个所有心理声学的基础：掩蔽效应。如果一个声音被另一个声音掩盖了，虽然这个物理能量客观存在，但是对人来说，它是不存在的。我们无法感受到这个能量，它就不会造成任何影响。所以，无论是响度，还是尖锐度，只要是涉及到心理声学的概念，一般需先处理这个被掩盖的能量，才能进行分析。
因此，频率分辨能力是非常关键的概念。把我们分不清的频率成分合在一起，称为临界频带。和其他心理声学的概念类似，这个也是以前的科学家经过大量统计研究出来的。不同的科学家有不同的研究方法，所以实际上临界频带也有不同的划分方法，比如表1提到的Zwicker的24个Bark域划分方法，还有Moore的ERB方法等。不过过程差不多，我们举个简化的栗子：
如上图所示，现有F1和F2两个单频信号，开始的时候频率一样（频率差=0）。如果F1不变，F2逐渐变化，当频率差<15Hz，会出现调制现象。虽然我们无法分清楚这两个频率，但是能感受到一种不断波动的声音，即拍频。如果频率差逐渐扩大，拍频现象会消失，但是我们依然无法清晰识别这两个信号，而是产生粗糙度的感受。频率差持续增加，直到粗糙感消失，这时我们可以分清楚两个单频信号。此时的频率差，就是对应F1的临界频带。
需要强调的是，临界频带并不是固定的频率位置，这一点和倍频程截然不同。临界频带会自动“聚焦”在耳蜗最主要激励处，并以此为中心划分。我们最常见的24个Bark域，有明确界线的划分方法，是用来计算Zwicker响度的技术上的简化，并不是实际耳蜗的工作方式。
再举个栗子。两个正弦信号1050 Hz和1100 Hz处在同一个1/3倍频程中，也处在同一个Bark中，分析结果如下图所示。我们可以发现，对于两个不同频率的信号，如果处在统一1/3倍频程中，其倍频程的结果完全一样，但是基于临界频带概念的响度结果则有明显的差别。所以，临界频带和倍频程是不同的分析方式，科学家想出来的概念并不是“空谈”。
以上关于临界频带的介绍仅是从通俗角度去说明，以便大家更好地理解，稍欠严谨。不过我们公众号可是一直走“高端专业”路线的，以前曾经发过一篇详细介绍临界频带的文章心理声学系列-临界频带，小伙伴们可以认真学习一下，为下一堂课做准备。
未完待续……
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