基本信息

书名：环境声的听觉感知与自动识别

：128元

作者：陈克安

出版社：科学出版社

出版日期：2014-06-01

ISBN：9787030409911

字数：440000

页码：364

版次：1

装帧：精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

适读人群 ：目标识别领域的科技工作者，声学、信号与信息处理、心理物理学等相关学科的研究生
　　《“十二五”国家重点图书出版规划项目·现代声学科学与技术丛书：环境声的听觉感知与自动识别》与听觉科学、心理声学、模式识别与信号处理、水声学等学科有关的高年级本科生、硕士研究生、博士研究生，以及科研人员，本书既可作为上述专业研究生教材，亦可作为有关研究人员和应用工程师的参考书。

内容提要

环境声的听觉感知与自动识别以环境声的听觉感知及其利用为主线，全面介绍了听觉感知的心理声学基础、声音听觉属性的感知机理与建模、环境声辨识的听觉机理及其应用。环境声的听觉感知与自动识别共分七章，涉及三个方面的内容：环境声的物理特性与听觉感知机理、环境声的主观评价方法与数据处理、听觉系统的结构与功能；环境声听觉属性（响度与音色）的感知与建模；声源的听觉感知与基于听觉特征的环境声自动识别。

目录

作者介绍

文摘

第1 章声音特性与听觉感知
人类生活在一个被声音包围的世界里，其中既有自然现象发出的声音，如大海
的波涛声、丛林中的鸟鸣声、山涧的流水声、狂风暴雨的呼啸声，又有人类活动发
出的声音，如人的讲话声和演唱声、演奏乐器的乐曲声、车辆和航行器发出的噪声、
建筑施工的嘈杂声。声音源于物体或特定区域介质振动发出的声波，广义上讲，声
音既包括人类可以感觉得到的声波，也包括人类感觉不到、其他动物能够感觉到或
现代仪器能检测到的声波，如次声和超声。不过，本书主要针对人类听觉系统能够
感受到的声音，即可听声或音频声。
按声音的产生方式和所携带信息的特性分类，可听声又分为语音声(speech
sound)、音乐声(music sound) 和环境声(environmentAl sound) 三大类。前两种声
音分别简称为语声和乐声，它们是在人类大脑有意识的主动控制之下、由人的发
声器官或操纵乐器发出的声音，是人类智慧的产物，也是传递人类思想和情感的载
体。环境声是除语声和乐声以外所有声音的总称，也是人类必须面对的重要的声音
类别。任何声音的产生都源于声源，而声源的辨别在人类生活、生产与军事斗争中
均发挥着极其重要的作用。利用现代信号与信息处理技术实现环境声的自动识别，
在人类科学技术迅猛向前推进的进程中，其作用与地位日渐突出，是当今信息化和
智能化仪器与设备必不可少的功能。
要实现环境声的自动识别，关键问题是提取环境声中蕴含的有效特征，其中的
一个重要研究方向是基于人类听觉原理的特征提取，也就是听觉特征的提取。对于
这一问题的解决，必须对环境声的特性与发声机理、人类的听觉感知机理，以及模
式识别理论与技术有充分的理解与认识，也就是要对与环境声识别相关的物理声
学、心理声学及信息科学融会贯通，从中寻找创新的源泉。
本章介绍环境声的物理特性及与听觉感知相关的知识。
1.1 可听声的特性与发声机理
站在人类的立场上看，所谓的可听声是指人类听觉系统能够感受得到的声波，
它是强度在一定水平之上，频率范围受限的一类声波。概略地讲，在空气介质中，
要求声压级在0dB 以上、频率范围在20Hz?20kHz。
1.1.1 声音的产生与基本特性
1. 声波的产生
1) 声波的基本特性
声波是机械波的一种，其产生源于物体或一定区域内介质的振动，这些振动的
物体或介质区域称为声源。换句话说，声波是具有机械性质的波动状态在介质中的
传播，因此，产生声波的必要条件有两项：声源和介质。声源可以是某个具体的物
体(如振动的球体)，也可以是某个区域的介质(如紊流扰动的某个区域)；介质可
以是气体、固体或液体，如耳道中的空气、中耳中的听小骨、内耳中的淋巴液等。
真空中没有介质存在，因而不能传播声波。
声波在介质中的传播，只是介质振动状态的传递，在宏观上介质本身并没有向
前运动。在声波的传播过程中，其介质在其平衡位置附近往复振动，传播出去的是
物质的运动形态，这种运动形式是一种机械性质的波动。在气体、液体等理想流体
介质中，声振动传播的方向与介质质点振动方向一致，此类声波称为纵波，在固体中
还会存在介质质点振动方向与传播方向垂直的横波，以及成一定角度的剪切波等。
拥有声波的介质空间形成声场。在声场中，定量描述声波的基本的物理量是
声压，此外还有介质的质点振速，以及反映声波携带能量特性的物理量|| 声强。
需要注意的是，声压实质上是声波扰动引起的偏离大气压的逾量压强，单位为帕斯
卡(PA)。
在声场中，描述声波物理属性的参量(如声压、质点振速) 的时间、空间变化
规律及其相互联系的数学方程称为声波的波动方程，它是一切声学理论研究的基
础。声波方程的推导在声学教科书中一般都有详细叙述，本书不再赘述，仅给出
相关结论。
对于人耳能够忍受的声音，其声波强度在理论研究中被归类为小振幅声波，同
时为了使研究问题得到简化，一般仅讨论所谓的理想流体介质情况，也就是介质中
不存在黏滞性，同时介质在宏观上是均匀的、静止的，并假定声波在介质中的传播
为绝热过程，这种类型的声波归于线性声学研究的范畴。由此推导出来的波动方程
称为线性声波方程。
在理想流体介质中，声波扰动的传播必然满足三个基本物理定律：牛顿第二定
律、质量守恒定律和物态方程。由此得到小振幅声波遵守的三个基本方程为运动方
程、连续性方程和物态方程。在一维空间中(如x 方向)，上述三个方程可分别表示
为式中，?0; c0 为无声波扰动时介质的密度和声波的传播速度；p; v; ?0 分别为声场中
某一点由于声波扰动引起的声压、质点振速和介质密度，它们都是x 和t 的函数。
以上三个方程分别给出了三个声波物理量(声压、振速和密度) 中两两之间的
关系，尤其是被称为运动方程的式(1.1.1)，给出了声压与质点振速之间的关系，在
实际中有广泛应用。消去以上三式中的任意两个变量，如质点振速和介质密度变
量，剩下的两个式子分别对x 和t 求导，综合整理后可以得到@ 2
p(x; t)
@x2 =
1
c20
@ 2
p(x; t)
@t2 (1.1.4)
这就是一维声场中的声波方程。
在三维空间中，式(1.1.4) 可以推广表示为如下形式
r2p =
1
c20
@ 2
p
@t2 (1.1.5)
其中，r2 为拉普拉斯算子，在直角坐标系中为
r2 = div(grAd) = @ 2
@x2 + @ 2
@y2 + @ 2
@z2
式(1.1.5) 就是在不考虑声源所在区域，小振幅声波在理想介质中遵从的物理规律，
它表明声压在空间中的二阶梯度与在时间上的二阶导数成比例，比例常数为声速
平方的倒数。上述关系反映了物理规律与数学定律的完美统一。
2) 结构振动与声辐射
现实生活中，绝大部分声音源于物体的机械振动。如乐曲来自乐器的振动声辐
射，扬声器发声源于纸盆的振动，机械噪声来自机器零部件的振动。虽然实际物体
的几何形状和大小千差万别，但它们都可以分为规则结构和复杂结构两大类。规则
结构的几何形状及振动量可以用数学公式进行解析表达，通常的研究对象有棒、平
板、圆柱等；复杂结构的振动与声响应通常需要采用数值算法求解，如有限元法、
边界元法等。另外，振动系统又可分为集中参数系统和分布参数系统两大类。集
中参数系统是实际工程结构的简化，又称为质点振动系统，它假设构成振动系统的
基本元件(惯性、弹性和阻尼元件) 可以看成是物理性质集中的系统；分布参数系
统的基本元件在空间位置上是连续分布的，用于描述弹性体的振动。不管是哪类系
统，其基本振动特性都可以用单自由度系统加以说明，所谓自由度是指确定一个振
动系统空间位置所需独立坐标的个数。
A. 单自由度系统的振动
假定有一单自由度系统，其基本元件为质量块和弹簧，其质量和弹性系数分别
记为Mm 和Km。实际系统在振动时总是会受到阻尼力的作用，大多数情况下，阻尼力与速度成正比，比例系数Rm 称为阻力系数或力阻。当质量块被施加作用力
离开平衡位置后，在弹性范围内，质量块的振动位移w(t) 可用如下方程表示
d2w(t)
dt2 + 2±
dw(t)
dt
+ !2
0w(t) = 0 (1.1.6)
其中，!0 = 2 f0 =
p
Km=Mm ，f0 为系统的固有频率或特征频率；± = Rm=2Mm
为衰减系数。式(1.1.6) 为单自由度系统的衰减振动方程，其一般解为
w(t) = A(t) cos(!00
t ? '0) (1.1.7)
式中，A(t) = A0e?±t，A0 为初始位移。式(1.1.7) 表明，位移振幅将随时间而衰减，
并以几何级数规律进行，每隔一个周期，振幅的衰减为e±T 。此外，系统的固有频
率也发生了变化，为!00
=
p
!2
0 ? ±2。
当系统受到外部激扰力或强迫力的持续作用时，系统的振动称为强迫振动。如
果外力为简谐力，有FF = FA cos !t，则强迫振动方程为
d2w(t)
dt2 + 2±
dw(t)
dt
+ !2
0w(t) = Hej!t (1.1.8)
其中，H = FA=Mm。强迫振动方程的通解由特解和相应的自由振动方程解线性相
加而成，有
w(t) = A0e?±t cos(!00
t ? '0) + wA cos(!t ? ?) (1.1.9)
上式项为瞬态解，第二项为稳态解。稳态解的振幅与外部激扰力振幅和系统特
性有关，即
wA = FA
!Zm
(1.1.10)
其中，Zm 为系统的力阻抗，一般为复数，其实部和虚部分别称为力阻和力抗，力
抗又包括质量抗和弹性抗两部分。力阻抗的数学表达式为

式中，Rm 和Xm 分别为力阻和力抗，而力抗中!Mm 为质量抗，Km=! 为弹性抗。
质点系统的稳态振动特性主要由系统的力学品质因数Qm 决定，其表达式为
Qm = !0Mm
Rm
(1.1.12)
上式表明，Qm 与力阻Rm 成反比。Qm 越大，系统发生共振时的位移振幅越大。
B. 弹性体的振动
弹性体可以看成由无数个质点组成的连续系统，其中的每个质点都具有独立
的自由度。在一个无限大的弹性体内部，激扰力产生的弹性波主要有纵波、横波
(弯曲波) 和扭转波。下面分别介绍部分规则结构的振动响应。
A. 棒的纵振动
考虑一横截面均匀的细直棒，其横向尺寸比它的长度小。设棒的长度为l，截
面积为A，单位体积的质量为?，材料的弹性模量为E。取棒的纵向为x 轴，棒的
纵向振动位移为w(x; t)，于是纵波振动方程为

以上方程的解为
w(x; t) = (Acos kx + B sikx) cos(1t ? ') (1.1.14)
式中，k = 1=cL，1 为常数，cL =
p
E=? 为纵波沿棒纵向的传播速度；待定常数
A;B 和' 由系统的边界条件和初始条件决定。典型的边界条件有简支边界、固支
边界和自由边界。
b. 棒的弯曲振动
如果棒受到一个与轴线垂直方向的力的作用，就会发生弯曲。由于棒本身的劲
度，这种弯曲形变要恢复其平衡状态，由此引起了棒的与轴垂直方向的振动，称为
横振动或弯曲振动。自由弯曲振动方程为

其中，c2 = E=?。在数学上，它是一个四阶偏微分方程，要完整地求解，必须结合
边界条件和初始条件。
c. 薄板的弯曲振动
板是棒的二维推广，由于板的声辐射主要源于其弯曲振动，因此，我们着重研
究薄平板的弯曲振动。所谓薄，指的是板的厚度相对于板表面尺寸较小，并且与板
材料中相应的波长相比也小得多。直角坐标下板的弯曲自由振动方程为
EI
'

设矩形板沿平面X 和Y 方向的长度分别为lx 和ly，板的厚度为h，单位体
积的质量为?。对于简支边界条件，式(1.1.16) 的解可以表示为
式中，m 和分别为沿X 和Y 轴方向简正波的序数，这种振动状态也称为振动模
态。因此，(m; n) 就称为模态序数，Wm则称为(m; n) 阶模态的模态幅度，?m; ?n
为模态函数。
以上描述说明，不管是单自由度系统、多自由度系统还是连续系统，其基本振
动特性是一致的。也就是说，当结构受到外力作用后，其振动响应分为稳态响应和
瞬态响应两部分，其中瞬态响应是由初始位移与初始速度激发的振动状态，它随时
间而逐渐衰减，衰减的快慢取决于系统阻尼；稳态响应反映了振动系统对外力作用
的响应，由系统的固有特性和外力特性两者共同决定。系统的固有特性主要有特征
频率(或共振频率) 和阻尼，前者与结构的几何形状、材料、边界条件及周围介质
有关，结构自身的阻尼可用内损耗因子描述，它反映了由热弹性、黏弹性及声辐射
引起的能量损耗。
C. 结构振动声辐射
声波的产生来源于声源对周围介质的扰动。不同形式的扰动可以等效为质量
源、力源和应力源，这三种扰动源的声辐射可以分别等效为单极子、偶极子和四极
子。偶极子和四极子可以由不同振动相位的单极子组合而成。
A. 简单源的声辐射
简单的声源是脉动球源。采用球坐标系，设有一球形声源，其半径为A，球
表面的振动速度为u(t) = uAej(!t?kA)。当球源半径远小于声波波长时，该球形声源
称为点声源，在自由空间中，点声源产生的声波为球面波，其声压表达式为
p(r; t) =
jk?0c0
4 r
qej(!t?kr) (1.1.18)
其中，?0，c0 分别为介质密度和声速；q = 4 A2uA 为脉动球源的容积速度幅值，称
为点声源强度。点声源产生的声压在同一半径上是均匀的，也就是该声源没有指向
性，因此点声源也被称为单极子声源，它既是实际声源的一种抽象化，又是复杂声
源的基本组成形式。
b. 复杂结构振动声辐射
已知结构表面任一点rs 的法向振动速度为v(rs)，则远场任一点的声压为
p(r; t) = ej!t
Z
S
j!?0v(rs)e?jkR
2 R
dS (1.1.19)
其中，R = jr ? rsj，表示观察点r 至结构振动表面rs 点的距离。式(1.1.19) 称为
瑞利方程，它说明已知结构表面任一点的振动速度，就可以计算出声场任一点的辐
射声压。同时可以证明，对于实际中存在的任意形状的结构，其声辐射均可等效为
有限个点声源声辐射的叠加，也就是说，复杂结构声源可以等效为有限个点声源的
集合。

序言

序言
前言
第1 章声音特性与听觉感知 1
1.1 可听声的特性与发声机理 . 1
1.1.1 声音的产生与基本特性 . 2
1.1.2 乐声与语声 8
1.1.3 环境声 16
1.2 声音的感知与听觉效应 29
1.2.1 声音的听觉感知属性 29
1.2.2 人类的听觉感知能力 34
1.2.3 听觉效应 36
1.2.4 环境声的感知 39
1.3 听觉感知的研究方法与手段 .40
1.3.1 声音的客观度量 40
1.3.2 声信号分析与处理 . 41
1.3.3 听觉感知与心理声学 43
参考文献 . 47
第2 章主观评价方法与数据处理 49
2.1 声刺激与声音合成 . 49
2.1.1 典型声刺激及其特性 49
2.1.2 基于互联网的环境声获取 .57
2.1.3 环境声的合成 62
2.1.4 声音的呈现 . 74
2.2 听觉测试与评价方法 77
2.2.1 概述 . 77
2.2.2 感觉阈限的测量 78
2.2.3 阈上感觉的测量 79
2.2.4 信号检测理论 87
2.3 实验数据的统计分析 89
2.3.1 实验数据的评价与检验 892.3.2 相关与回归分析 91
2.3.3 聚类分析 92
2.3.4 主成分分析 . 94
2.3.5 多维尺度分析 96
2.3.6 多元统计分析软件 102
参考文献 105
第3 章听觉系统的结构与功能 . 107
3.1 听觉系统概述 107
3.1.1 听觉外周 107
3.1.2 听觉中枢 111
3.1.3 听觉系统建模 . 115
3.2 听觉掩蔽 .119
3.2.1 听觉阈限 119
3.2.2 临界频带 121
3.2.3 能量掩蔽 123
3.2.4 信息掩蔽 126< 正版现货 环境声的听觉感知与自动识别 陈克安 科学出版社 电子书 下载 mobi epub pdf txt