作者:James Larson,以下為谷歌翻譯。問問任何音響發燒友或家庭影院發燒友,他們都會告訴你,強勁的低音對于獲得完整的聲音至關重要。沒有明顯低頻的重量和基礎,聽覺體驗是空洞的,因為強烈的低音經常被描述為聽到多少就感覺到多少。事實上,人們常說,足夠低的頻率只能感覺到,根本聽不到。在本文中,我們將探討低音是如何被感覺到而不是被聽到的,在回顧了該領域的一些研究后,我們將在自己的實驗中研究低頻超越聲音并成為觸覺的點。

轉自老蝸牛家庭影院博客

聲音是如何被感知的

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為了理解身體是如何感受聲音的,我們必須首先考察身體是如何感受任何東西的。人類的感覺系統通常被認為是五種感覺的集合:觸覺、味覺、嗅覺、視覺和聽覺。然而,事實是,這五種感官只是由許多更具體的感官組成的群體。例如,通常所說的“觸覺”是四種不同類型的感覺受體的組合:機械感受器(感覺壓力和振動)、溫度感受器(感覺溫度)、傷害感受器(檢測組織損傷并引起疼痛)和本體感受器(感覺身體各部分相對于其他部分的位置)。更進一步,這四個被貼上“觸覺”標簽的感覺系統也是眾多受體類型的復合物。就本文的目的而言,我們感興趣的感受器屬于機械感受器類,我們想知道的特定機械感受器與感知振動壓力特別相關。 微信號:860275582

當然,任何用來感知振動的系統都必須有一個分辨周期運動的范圍,換句話說,就是一個頻率響應。我們的聽覺也是機械接收的一種形式,通常被認為具有20 Hz到20,000 Hz的頻率響應(盡管該頻率響應是一種簡化,可以看到正常聽覺響應的更精確描述這里).同樣,盡管通常測量的振動是與皮膚直接接觸的物體,但遍布我們皮膚和身體內部的機械感受器也有一個頻率響應范圍。雖然空氣與身體直接接觸,但除了在移動頭發時,空氣的振動通常不足以觸發機械感受器,除非是在高聲壓水平下。為了在皮膚上感覺到聲壓級,聲壓級必須大于機械感受器的機械閾值,如圖1所示。 http://www.jokopic.com/play-hometheater/4430.html

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Fig 1 response of mechanoreceptors

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圖1:虛線代表位于手掌中的不同機械感受器的靈敏度閾值,圓點代表所有機械感受器的絕對靈敏度。閾值以1微米(微米)峰值為基準,以分貝(dB)為單位給出。(摘自博拉納夫斯基、蓋謝德、韋里略和切科斯基著,1988年)。經AIP Publishing LLC許可轉載。版權1988,美國聲學協會。"

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注意如何,很像我們的聽覺(見這張圖表),我們的觸覺在低頻時相對不敏感。此外,注意振動機械接收的總頻帶:0.4 Hz到大約800 Hz,具有比聽覺更有限的頻率范圍。感知觸摸振動頻率的閾值似乎遵循最小可聽度曲線的輪廓,并且已經表明在聽覺閾值以上20-25 dB的水平,可以感覺到身體各個部分的振動。理論上,要“非聽覺地”感知聲音,聲波需要足夠強大,能夠移動足夠多的皮膚,并且高于圖1中能夠被感知的頻率的機械靈敏度閾值。雖然對聲音的非聽覺感覺還沒有進行足夠的研究來建立“最小聲壓誘發的觸覺”響應曲線,但是已經對聲音對身體的生理影響進行了許多研究。 轉自www.laowoniu.com

聲音的生理感覺研究

大多數測量聲音的非聽覺、物理感覺的實驗是在兩個研究領域進行的:噪聲污染對健康的影響和耳聾研究。那些研究噪音污染對健康影響的人想知道空氣壓力波可能如何造成傷害,那些研究耳聾研究的人想知道身體上的聲音感覺有多少可以被聽力受損者用來感知他們的環境。低頻聲音通常是這些領域的研究對象,因為低頻噪聲在現代生活中非常普遍,低頻長期以來一直被認為可以誘發觸覺,而高頻則不是這樣。

關于哪些聲音振幅和頻率影響人體解剖結構的許多知識都是實驗的結果,在這些實驗中,人類受試者被簡單地用非常大的噪音轟擊,然后在測試噪音前后比較他們的生理狀態。例如,美國國家航空航天局為阿波羅計劃委托進行了一些研究,以了解在發射過程中,由于人類受試者暴露在140 dB的聲壓級下,高振幅噪聲級是否會使人員喪失能力,從而危及飛行任務。其他實驗走得更遠,一些人體測試達到了155分貝的聲壓級,對于你的家庭影院愛好者來說,它的功率比是THX 105分貝的參考峰值的10萬倍。

根據我們的主題,讓我們看看一些研究,研究低音對人體解剖的影響以及如何感知這些感覺。出于我們的目的,我們將著眼于200 Hz以下的頻率,因為該頻帶通常被分離出來,在科學文獻中被指定為“低頻”,在音樂文獻中被指定為“低音”。讓我們從最低頻率開始調查,然后一路向上。

1赫茲

雖然一項測試發現,沒有一個參與者能夠感覺到1和2 Hz的任何振動,即使是在144 dB的情況下可能對人類來說,這種極低頻率和極高振幅的人工呼吸是可能的。美國空軍的一項研究發現,在166 dB以上的聲壓級下,處于0.5 Hz至8 Hz頻率的麻醉動物的呼吸下降,在171 dB至173 dB的聲壓級下,大型犬的獨立呼吸停止,其胸部在1 Hz以下幾乎不動。動物沒有窒息;所發生的是壓力波是如此之大,以至于空氣分子在環境空氣和狗的肺部之間進行交換,所以,從某種意義上說,聲波是在為狗呼吸。

2-10赫茲

一項有25名受試者參加的實驗報告稱,當暴露于130 dB以上的2-10 Hz音調時,會有主觀的“身體搖擺感”,這種效應在7 Hz時最為明顯。還報告了垂直眼球震顫(眼睛的不自主運動)。另一項將受試者暴露在150 dB的5-10 Hz音調下的測試報告了鼻孔振動。一名測試人員讓10名聽力正常的參與者和10名耳聾的參與者接受20分鐘115 dB的6 Hz音調,并發現聽力正常的參與者的EEG模式發生變化(被描述為“覺醒減弱”),同時伴有脈搏和血壓的變化。然而,在聾人中沒有發現這些效應。在5-10赫茲范圍內的其他測試發現呼吸減少,大腦中的血流減少,脈搏和血壓變化。在這個頻段測試的主觀抱怨包括身體振動、耳內壓力和無法集中注意力。

10-20赫茲

對四名參與者進行的測試發現,對于10-20 Hz的窄帶噪聲,腹壁振動在150-154 dB。另一項測試發現了132 dB及以上的4-20 Hz的胸部和腹部振動??哲娺M行的一項研究發現眼球的共振頻率為18赫茲。已經提出,在眼睛的共振頻率下足夠水平的聲壓會引起視覺干擾,并且由于這個原因,在這個頻率下具有聲音發射的位置有時會被誤認為是“鬧鬼的”。在另一項測試中,一個17赫茲的音調被證明會引起一些人的焦慮,當它被用作音樂會表演中的低音,而對照表演中沒有低音。與眼球的共振頻率一樣,有人推測,在這個頻率發出聲音的地方可能會讓一些人感覺他們被“鬧鬼”

20-30赫茲

一項使用1-30 Hz、振幅水平為125-144 dB的音調的測試報告了聲音調制以及腹部和胸部振動。

30-50赫茲

在90-100 dB輸出水平下,使用31-50 Hz的音調進行了一系列測試,通過將加速度計連接到測試對象的頭部、腹部和胸部,比較了人們如何感知他們的感覺與他們身體不同區域的實際振動水平。據發現,雖然頭部本身的振動沒有腹部和胸部那么大,但頭部振動被認為更強,這可能是由于頭部的聽覺結構。測量胸部振動,主觀感覺比腹部振動強,在相同輸出水平下,50 Hz頻率比低頻聲音更能有效地引起振動和振動感覺。在超過140 dB的更強水平上進行的其他測試報告了呼吸節律變化、窒息、胸壁振動和可察覺的視野振動。

50-100赫茲

在對三個人進行的一項測試中,其中一名受試者報告稱,由于暴露在50赫茲的音調下,輸出水平達到驚人的153分貝,導致頭痛。在150-153 dB輸出水平的相同測試中,在60-73 Hz的較高頻率下,其他受試者報告了咳嗽、胸下壓力、窒息呼吸、吞咽疼痛、流涎、下咽不適,一名受試者報告了睪丸疼痛。在100 Hz、153 dB時,報告了輕度惡心、眩暈、肋下不適、皮膚潮紅和刺痛。還觀察到脈搏變化。由于這些令人擔憂的反應,測試被中止。所有受試者都有明顯的暴露后疲勞。在另一項研究中,據報道,來自飛機發動機的高水平低頻噪音會導致63-100赫茲的胸部共振。

100-200赫茲

一些測試表明,胸腔中噪聲引起的振動高于100 Hz。在一輪測試中,一個100+ Hz的噪音被注入到受試者的嘴里,并記錄下胸部最活躍的頻率。129-143 Hz被發現是在胸壁上測量的最活躍的頻率,但是他們的結果也表明噪聲引起的振動在150-200Hz可能更嚴重。

 

Fig 2 Compression Wave Diagram

 

圖2:作為壓縮波的聲波圖

胸拳!

高水平低頻聲音的一個最突出的效果就是所謂的‘捶胸’或‘捶胸’。據報道,胸部振動的感覺存在于廣泛的低頻范圍內,盡管它似乎在100+ Hz左右的中低音頻率中更為明顯,而不是在50 Hz以下的低音頻率中。一名實驗者解釋說,這是因為肺部更容易產生振動,肺部“像氣球一樣組織起來,通過氣道與大氣相連。”另一位研究人員認為,“胸腔共振可能對頻率低于大約250 Hz的聲音傳輸有特別重要的影響,在這種情況下,實質衰減的幅度似乎很小。”腹部區域對振動更不敏感,并且推斷出腹部內部器官和組織的擁擠阻礙了振動的誘發。身體脂肪也被認為可以抑制振動,阻礙振動在全身的傳播。從這些發現可以看出,一個人的硬組織與軟組織的比率越大,聲波對他們的影響就越大。

身體的共振頻率呢?

雖然已經確定了胸部和眼睛的共振頻率在活生物體內(在活體受試者中),它們似乎只對人體解剖的其他部分進行了估計,至少到目前為止對聲音暴露進行了測試。由于人體受到各種軟組織的嚴重阻尼,共振頻率必然處于非常低的頻率,整個身體的估計頻率范圍為4-8 Hz。要使這些共振變得明顯,需要巨大的聲壓級。對于身體的大部分來說,在壓力水平將使受試者粉身碎骨并發生死亡之前,這些共振的激發可能不太可能被明顯地感覺到。

 

Fig3 test rig

 

圖3:試驗箱!

去實驗室!

現在,我們已經調查了低頻聲音的生理和主觀感覺的一些結果,讓我們通過自己的測試來看看它們與我們自己的體驗有多匹配。我們召集了9名參與者,都是年齡在25歲至58歲之間的成年男性,讓他們接受一組三種不同輸出水平的低音頻率,并讓他們寫下他們身體的哪個部位有任何感覺,同時我們記錄下達到該點所需的輸出水平。然后將結果制成表格,與那些只對較高輸出水平做出反應的身體區域相比,需要較少輸出來影響感覺的身體區域被給予較高的加權分數,因此得分較高的解剖區域比得分較低的區域受影響更大。評分系統的權重是,在最低輸出水平記錄感覺的身體區域計三分,而在中等輸出水平記錄感覺的區域計兩分,在最高輸出水平記錄感覺的區域計一分。測試聲音是?八度音,從10 Hz開始,到200 Hz結束。每個頻率在五個連續的脈沖中回放,每個脈沖一秒鐘,并以三種不同的音量級別重復,每個音量級別增加6 dB,起始響度級別平均約為95 dB (C加權)。雖然收聽位置的頻率響應并不完全平坦,但通過將收聽位置限制在一個非常小的區域,并且一次只測試兩個受試者,以確保所有受試者暴露于相同的每音調輸出水平的方式進行測試(見圖3)。聲音回放設備由四個大型的18英寸低音揚聲器組成,功率為4800瓦。這些結果可能不像它們應該的那樣嚴格科學(至少可以這么說),但是一些有趣的模式確實出現了。

為了使大量的頻率數據易于理解,我們將其分為三個頻段:從10到25赫茲的“深”頻率,從31.5到80赫茲的“中低音”,以及從100到200赫茲的“上低音”。

 

Fig4 body chart 10-25 Hz

 

圖4:從10到25赫茲報告的感覺。得分較高的身體部位比得分較低的身體部位受到的影響更普遍或更嚴重.

圖4是我們測試的最深頻率段(10至25 Hz)的曲線圖,我們看到許多參與者報告在該頻帶內頭部有大量活動。評論包括關于頭部感覺的“壓力”和“脈動”。我們也看到耳朵本身被感覺到振動。如前所述,頭部的聽覺結構可能會增強那里的振動。也許低頻對前庭系統有某種影響?同樣在這個波段中,一個測試對象提到感覺到他的鼻子在振動。

 

Fig5 body chart 30 - 80 Hz

 

圖5:報告的31.5到80赫茲的感覺。得分較高的身體部位比得分較低的身體部位受到的影響更普遍或更嚴重。

在圖5中,我們看到了31.5至80赫茲測試音的結果,這是“超重低音”的主要范圍。顯而易見的是,胸部對這個波段內的聲音非常敏感,大多數測試對象都報告在一定音量水平上有感覺。根據先前關于聲音對人體解剖學影響的研究結果,這一結果并不令人驚訝。其他值得注意的是耳朵上的持續感覺,這在以前的研究中沒有報道。也許耳朵的薄結構和軟骨的硬度結合在一起,使其易于在低頻下以足夠的音量振動。

 

Fig6 body chart 100-200 Hz

 

圖6:報告的100到200赫茲的感覺。得分較高的身體部位比得分較低的身體部位受到的影響更普遍或更嚴重。

圖6似乎顯示了感覺在身體上的分布更加均勻。事實上,兩名參與者在這個范圍內的一些音調上寫下了“全身”。也許這是因為皮膚的機械感受器在這些頻率下變得更加敏感(如圖1所示),因此更多的皮膚區域感覺到活動,而不僅僅是那些易于振動的身體區域。

討論我們的結果

首先,應該強調的是,這些結果不是在嚴格的實驗室環境中獲得的。如上所述,一些音調比其他音調有更多的輸出,在31.5 Hz和80 Hz時有10 dB的零點。此外,所用的SPL計在31赫茲以下會失去精度,因此那里記錄的輸出不可靠。此外,許多測試對象在測試開始時已經喝了幾杯啤酒,因此很難確定多少振動觸覺是由測試音調引起的,多少是由酒精引起的。盡管如此,還是出現了一些趨勢。頭部看起來對低音振動更敏感,胸部對中低音更敏感,尤其是50赫茲和63赫茲的音調。如前所述,身體更多地感受到上低音的振動,這一區域高于大多數超重低音揚聲器正常播放聲音的區域,因此任何對高度觸覺音響系統感興趣的人都應該確保他們的主揚聲器能夠勝任高SPL低音和超重低音的任務。

另外要注意的是,與上面引用的表明胸部共振遠遠高于100 Hz的研究不同,我們的發現將胸部振動感覺置于該點以下。原因可能是在之前的研究中,聲音是通過張開的嘴傳到肺部的??赡茉谖覀兊臏y試中,以及在發現最大胸部振動低于100 Hz的其他測試中,測試對象沒有張開嘴,因此通向肺部的空氣波更加急劇地衰減。在較高的低音頻率下,張開的嘴能允許更多的“胸部撞擊”嗎?這方面還需要進一步研究!

增強音響系統觸感的方法

 

Buttkicker Tactile Transducer

 

增強音響系統觸感的最可靠方法就是提高音量,尤其是在低音區。當然,這是從系統中獲得更多物理存在的強力方法,還有其他更精確的解決方案。一種解決方案是觸覺傳感器,這是一種附著在座位上的設備,連接到接收器的低音炮預輸出。觸覺傳感器根據接收到的信號頻率進行物理振動,從而振動座位,進而振動聽眾。一些觸覺傳感器品牌有五顏六色的名字,如“低音振動器”、“Buttkicker”和“地震”。它們可以產生令人印象深刻的效果;然而,它們不能完全替代高氣壓波的影響。引用一篇關于低頻噪聲及其影響的已發表研究綜述,”身體對聲音刺激的振動反應不同于通過腳或座位對機械振動的反應。低頻聲刺激作用于整個體表.”

可能有其他的技巧來增加低音的觸感。如前所述,可能僅僅是張開嘴就能改變你對聲音的感受。保持房間溫暖也可能有所幫助,因為一項實驗發現,皮膚對86華氏度的振動比對59華氏度的振動更敏感。身體脂肪也被證明可以抑制振動并阻礙振動在全身的傳播,所以去除一些身體脂肪可能有助于從您的聲音系統中獲得更真實的感覺。一個容易提升低音“感覺”的精確方法是提升低音區域的某些窄帶,而不是整個頻率范圍。正如我們在測試中注意到的,50-63赫茲似乎對胸部有很強的影響,所以提高這個頻率范圍可能會給你的系統帶來額外的刺激。

給那些想探索高低音效果的人一個警告

在音頻愛好者中似乎有一個廣泛持有的假設,即響亮的低音頻率不會導致聽力損傷,只有響亮的中音和高音必須加以防范。然而,最近的研究表明,低頻對聽力的影響可能比以前認為的更大。在一項實驗中,21名志愿者接受了90秒30赫茲、120分貝SPL的音調,發現對耳蝸的持續影響比刺激本身持續的時間更長。雖然研究結果沒有明確地得出低頻會導致聽力損失的結論,但它為這種可能性打開了大門?;蛘?,作為這篇文章“這些變化并不直接表明聽力損失,但它們確實意味著耳朵在暴露于低頻聲音后可能暫時更容易受損。”喜歡冒險的讀者在用強有力的低音敲打自己之前,可能要記住這一點。我們Audioholics僅對我們自己的噪音導致的聽力損失負責,而不是你們的。

結束語

當人們考慮到觸覺除了刺激體感皮層外,還刺激聽覺皮層時,觸摸與聽覺的密切聯系就不足為奇了。事實上,這一過程在聾人中進行得更深入,他們通過一種被稱為交叉模態可塑性的現象來處理大腦中通常用于聽覺的區域的觸摸振動。正如前面提到的,我們在空氣中聽到聲音振動的毛細胞是機械感受器,就像覆蓋我們身體的感覺壓力和振動的毛細胞一樣。由此推測,耳朵和聽覺是由皮膚上的壓力感應逐漸進化而來的。觸摸和聽覺之間的關系是深刻而復雜的,下次你讀到有人評論“感受”一段音樂時,也許這個評論并不像他們意識到的那樣具有隱喻性。

非常感謝我們的測試參與者,特別感謝Mike Masunas協調了實驗并提供了測試環境。