声学发展史之——心理声学(Psychoacoustics) · 上

引言:

心理声学,顾名思义,是研究人对声音心理感知的一门学科。正如我在第一篇文章声学发展史之——建筑声学 (Architectural Acoustics)里面说的,声学研究的最终目的,是为了人的听觉感官——耳朵服务。声音由声源发出,经过介质传播被人耳接收,进而被大脑感知,之后大脑破译我们听到的具体信息,引起人的心理和生理反应。世界卫生组织说:噪声已经成为仅次于心脏疾病,人类健康的第二杀手。声学近100年的发展告诉我们,除了高噪声级对人的直观影响,声音的种种属性,对人的心理和生理还会产生这样那样的影响。

心理声学 (Psychoacoustics),来源于Psychological Acoustics,翻译过来仍然是心理声学。这门声学分支最早源于人们对音乐和乐器的理性探索。早期的研究,出现过好多巨人的名字:毕达哥拉斯,亚里士多德,达芬奇,伽利略。站在这些跨界大牛们的肩上,直到19世纪,心理声学才作为一门学科兴起。

An average human looks without seeing, listens without hearing, touches without feeling, eats without tasting, moves without physical awareness, inhales without awareness of odour or fragrance, and talks without thinking.

—— 达芬奇

 

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心理声学专题我打算分上下两篇文章讲:

上:历史发展

下:心理声学分类、主要概念和应用

涉及到的重要的、有趣的、有应用前景的任何东西,我会单独写文章解释。这篇文章我们了解一下心理声学的历史发展。


依然从时间线上划分,我把心理声学的发展也分为五个阶段

  1. 上古时期 —— 1860:声音和音乐的感知
  2. 1860 —— 1920:心理声学初长成
  3. 1920 —— 1960:两大实验室和Zwicker
  4. 1960 —— 现在:空间/双耳听觉 (Spatial/Binaural Hearing)
  5. 1990 —— 现在:听力学 (Audiology),声品质 (Sound Quality),大脑认知

 

一、上古时期 —— 1860:声音和音乐的感知

 

毕达哥拉斯——想必学过初中数学勾股定理的人都知道——早在耶稣出生500年前,就开始研究弦乐器的音高和弦长的关系[1]。

亚里士多德说:声音通过空气移动传播;

达芬奇说:这种空气移动貌似以波的形式传播诶~;

伽利略啥也没说,拿出凿子往铜盘上咔咔一顿划,然后宣布发出声音的音高和凿子划出道道儿的宽度有关系;

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如果猫的爪子挠出的道道儿不一样宽,并且它们会发声……

 

胡克出来了(对,就是胡克定律的胡克),说:音高这事和振动频率肯定有关系!于是乎他做了个仪器,也就是Savart wheel的前身,原理很简单,类似于把纸放到风扇的叶片上,发出的声音音高和风扇转速相关。

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原理示意图 [https://hearinghealthmatters.org/waynesworld/2014/sound-quantification-ii/]

在理论方面,19世纪之前心理声学并没有什么大突破,直到声学界的两头德国巨兽的出现;而在音乐方面,人们用音叉等仪器给乐器调弦,直到电器设备和真空管的出现[2]。


 

二、1860 —— 1920:心理声学初长成

 

心理声学终于迎来的在历史舞台的首秀,强势出击。正如心理声学这四个字所涵盖的两个词源,它的形成也是从两方面:心理学和声学。

 

声学方面:

声学的任何分支,都不得不提这两个大人物:亥姆霍兹和瑞利(参考我的建筑声学发展史中“一、上古时期”)。

声学发展史之——建筑声学 (Architectural Acoustics)

其中,亥姆霍兹研究了音乐和人的生理学之间的关系,并首次把物理、生理学、声学和音乐联系到一起。用了傅里叶的理论,提出人的内耳不同部位的共振,是人感知音高不同的决定因素。

而后,小20岁的瑞利,继承了亥姆霍兹的衣钵,建立了声学的数学理论基础。并且提出了双耳听觉(binaural hearing,以后会展开说)是人能定位声源的原因。

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此图说明了声音到达两个耳朵的时间不同,这个假人利用这个时间差信息 (严谨说叫temporal cue)来定位音响的位置 [4]。当然还有其他的cue,借助频率和level的信息,以后单独讨论

双耳听觉直观感受(需佩戴耳机)。完整原视频链接:https://asmrsurgeaudio.bandcamp.com/releases

 

心理学方面:

  • 19世纪初期,Ernst Heinrich Weber提出的Just Noticible Difference (JND) for perception。Weber被称为实验心理学之父;
  • 1860年,Gustav Fechner发表了《心理物理学》(Elements of psychophysics)
  • Wilhelm Wundt,Helmholtz在海德堡的学生,在实验心理学领域做出了重大突破,遂产生国际影响[3]。

从此,声学有了理论基础,心理学有了实验和物理基础,心理声学正式出现。

借瑞利大佬的光,双耳效应在19世纪后期被广泛讨论,直到被后世的Jens Blauert一统江山。这一时期由于电气革命,电话、电报和留声机等“声学产品”相继被发明。具有放大功能的真空三极管的出现,标志着声学学科的腾飞,心理声学的研究也即将进入关键转型阶段。


 

三、1920 —— 1960:两大实验室和Zwicker

 

两大实验室:贝尔实验室,MIT心理声学实验室

 

Zwicker:慕尼黑工大Eberhard Zwicker,心理声学之集大成者,完备了心理声学理论,和他的学生Hugo Fastl完成心理声学巨著《Psychoacoustics》,使之发展成一门理论和应用兼备的学科。

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贝尔实验室,心理声学实验 [https://www.bell-labs.com/anechoic-chamber/]

 

贝尔实验室

贝尔实验室主要提1917-1949年之间任主任的Harvey Fletcher,也被称为立体声之父。他的贡献主要两个:等响曲线和临界频带 (critical band),都是在1933年。等响曲线揭露了人耳听觉非线性的本质,而临界频带则解释了耳蜗听觉滤波和掩蔽效应(auditory masking)的玄妙。具体内容在以后的文章中解释。

 

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等响曲线 [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Sound/eqloud.html]

在查Harvey Fletcher的时候,了解到了他的两个八卦: 

—— 他才是密立根“油滴实验”的幕后大佬,诺贝尔物理学奖和实验命名都跟他无关,因为密立根是他的博士导师。Fletcher和导师密立根做出了交易,密立根拿走名誉,Fletcher才能把“油滴实验”的结果放到他的博士论文里。这个秘密知道Fletcher死的时候才得以揭晓; 

—— 密立根1923年诺奖之后,科学家发现他的实验结果——基本电荷值——并不容易重复得到。直到60年后,被曝他当年其实只公布了140个实验中,58个实验的结果,因为剩下的实验结果偏差太大。 

这事儿信息量之大之辣眼睛,放到今天,可以上两次热搜。名字我都想好了: 
—— 博士死前遗言:揭开学术圈导师和学生之间黑幕的惊天秘密 
—— 因实验结果无法被重复,各国学者联名上诉:已故诺奖得主如何被撤回?

 

哈佛实验室

哈佛的实验室和Zwicker颇有渊源。Zwicke在哈佛的心理声学实验室(可惜1962年就不在了。这种实验室倒闭的事情在欧洲也时有发生,如果教授找不到继任者,实验室很可能面临被关闭的危险)和实验室主任Stanley Smith Stevens共事多年(Stevens提出了响度单位“sone”)。

Zwicker在1957年发表了关于临界频带 (critical band)的经典之作(Harvey Fletcher于1933年提出的那个理论)。简单说:耳蜗基底膜上有24个点能对24个不同频率产生最大幅度共振,从而将人耳可听频率范围20Hz-22kHz分成24个频带,即临界频带。临界频带和基底膜的尺寸呈线性关系,和频率为非线性。这也是为什么研究人耳听觉的时候,更多用临界频带而不是频率的原因——和人耳耳蜗构造更线性相关。掩蔽效应也都是在同一个临界频带内部产生的。

值得一提的是,心理声学起源于德国,在发展初期和日本有很多联系。Zwicker的那本心理声学书在国际上,也是首先在日本得到广泛认可。其中,响度级单位“phon”的提出者Barkhausen(没错,临界频带的单位是“Bark”)在1938年在日本巡讲了两个月,和日本学者产生了非常fruitful的合作。而那时,我大东北乃至全国正是全面倒在日本铁蹄之下之时,生存尚且成疑,何来闲心研究什么心理声学?看现世之差距,思当时之残局,被耽误的科研,又何止声学一门?

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哈佛心理声学实验室的声级计(刚看了下wiki,日语翻译过来叫騒音計……) [http://waywiser.fas.harvard.edu/people/1964/psychoacoustic-laboratory-harvard-university]

 

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哈佛心理声学实验室的耳机,金属纯皮打造,尽显低调奢华 [http://waywiser.fas.harvard.edu/people/1964/psychoacoustic-laboratory-harvard-university]

 

 

Zwicker & Psychoacoustics

 

想要入门心理声学,Psychoacoustics一书不可能被错过。这本书应该是我看过声学类的第一本书,因为当时硕士课题的需要。到目前为止一共出了三版,其中第二和第三版的preface里面Hugo Fastl都向他的导师进行了致敬,看着很感动

……meant as a tribute to my mentor Eberhard Zwicker, who was both an outstanding scientist and a dedicated teacher[5].

Fastl教授直到80多岁高龄仍然活跃在学术第一线,之前有幸在一次国际会议上听过他的报告。都说搞声学的高寿,比如我老板的老板Kuttruff,88岁那年还开车到所里图书馆查资料,准备出他那本Acoustics的第n版;再比如Leo Beranek百岁那年还坐飞机参加ASA。读到这是不是对声学心动了?

言归正传,慕尼黑工大将心理声学研究的强势一直延续到现任主任Bernhard Seeber。推荐他在Edx上边的lecture(当然其他的lecture也都非常好)。

https://www.edx.org/course/fundamentals-of-communication-acoustics


 

四、1960 —— 现在:空间/双耳听觉 (Spatial/Binaural Hearing)

 

空间听觉从60年代开始得到快速发展,得益于波鸿大学的Jens Blauert和他的大作[6]。研究双耳听觉在于了解人耳采集声音的原理,进而可以准确回放,对于研究人的声音定位、听力障碍、耳蜗移植等等有重要意义[4]。

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Head-related coordinate system [4,6]

华人声学专家向宁(伦斯勒理工大学)就曾师从Blauert。2016年德国DAGA有过一面之缘,时隔这么多年,presentation的前半程还能用德语完成。

著名的头部相关传递函数 (HRTF, head-realated transfer function)在这一时期被提出,各种各样的人工头 也是层出不穷。这些东西玩HiFi烧耳机的朋友可能都不陌生,我会在以后的文章里面详细介绍。

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由于人脑形状不一样,发型不一样,耳朵大小不一样,穿的衣服不一样,他们的HRTF完全不一样![图源:4]

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这么多假脑袋,看多了很惊悚 [4]

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再来一波 [4]

还有…… [4]

在虚拟现实中声学回放的实现,HRTF必不可少。虚拟现实系统需要把真实人耳该听到的东西还原出来,并送到耳边。

其他主要研究Binaural technology还有(列举):

  • 荷兰埃因霍温理工大学的Armin Kohlrausch
  • 德国Rostock的S. Spors
  • 芬兰阿尔托的V. Pulkki
  • 德国亚琛工业大学的Janina Fels
“恕我直言,在座的各位都用两只耳朵听声音吧!”——原来同事抓拍Jens Blauert于2017年德国的声学年会DAGA [https://blog.rwth-aachen.de/]

 

五、1990 —— 现在:听力学 (Audiology),声品质 (Sound Quality),大脑认知

 

在对人的听力系统有了较全面的认识之后,人们开始更加关注有听力障碍的人群。于是助听器 (Hearing Aid)和人工耳蜗得到了快速发展,让很多人重新用耳朵去“观察”这个世界。

 

孩子第一次听见妈妈的声音

而心理声学的发展,也及大地推动了汽车NVH行业,只因为三个字——声品质 (Sound Quality)。当车内噪声量级不能再降的时候,人们发现听到噪声之后还是会烦,因为人的主观感受还会受到诸如尖锐度、粗糙度[5]等其他心理声学属性的影响。汽车的声音特性也越来越引人注意,比如:

—— 保时捷引擎的声音非常sporty

—— 宝马关车门的声音很高级

—— 欧宝的车内声学设计真垃圾!

—— 特斯拉很安静但是为什么发动机(修改2019.01.18:电驱动系统)声音那么明显?

当你表示这些评价似曾相识的时候,恭喜你,你也是半个心理声学专家了。关于NVH这一块以后我会花大篇幅来讲。

心理声学到目前的发展主要是基于简单的声源,例如纯音信号或者白噪声,而现实生活中的声音远比这要复杂得多。于是,复杂场景下的听力学随之出现[2,7]。同时,科学家们并不满足于descriptive的结果,而是开始向人类最熟悉的陌生领域——大脑进军,企图获取那个最简单问题的答案:大脑是如何工作的?相信心理学家和脑神经专家会在不远的将来给我们答复,人类是如何在复杂环境中处理各种各样声音的。


后记

刚刚开始经营专栏就选择了hard模式,写发展史,仿佛在写文献综述……从开始构思心理声学这篇文章开始到现在已经快半个月了,读了很多资料文献,尽量做到客观、严谨、全面,堪比写journal paper。区别一在于,作为审稿人的你们,要比那些期刊的审稿人温和很多(which is great!);区别二,语言风格上,尽量做到非常不严肃,用大白话解释清楚科学原理要比扔一堆公式上去更难。不过我乐在其中,因为喜欢,才愿意去了解它的历史;因为了解历史,很多以前没想明白的事情变得明白;因为更多事情变得明白,才更加喜欢。

参考

[1]. Blauert, Jens, and Ning Xiang.Acoustics for engineers: Troy lectures. Springer Science & Business Media, 2009.

[2]. Yost, William A. “Psychoacoustics: A Brief Historical Overview.”Acoustics Today 11.3 (2015): 46-53.(美国人写的)

[3]. Schick, August. “History of psychoacoustics.”Proceedings of 18th International Congress on Acoustics (ICA), Kyoto Acoustical Science and Technology for Quality of Life. Vol. 5. 2004.(德国人写的)

[4] Janina Fels. RWTH Course: Medical Acoustics.

[5]. Zwicker, Eberhard, and Hugo Fastl.Psychoacoustics: Facts and models. Vol. 22. Springer Science & Business Media, 2013.

[6]. Blauert, Jens.Spatial hearing: the psychophysics of human sound localization. MIT press, 1997.

[7]. Bregman, Albert S.Auditory scene analysis: The perceptual organization of sound. MIT press, 1994.

封面 [youtube.com/watch?]


本文首发于我的知乎专栏《可以听的黑科技——声学》:

 

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