听觉系统对音色的感知机理

听觉系统对音色的感知机理

关于听觉对音色的感知机理，较为成熟的理论有如下两种：
谐音说

这一理论首先由亥姆霍兹于1877年提出，经过多种乐器、包括声带所做的一系列实验后，他认为所有物质在振动时都会有谐音产生，谐音列就是将这些谐音按音高顺序排列而成列序（谐音：特指构成整数倍数或接近于整数倍声音关系的分音。基音即为第一谐音。需要注意，由于泛音或倍音中不包括基音，因此，如果我们讲到“第1泛音”或“第1倍音”，其实是指“第2谐音或”“第2分音。”而“第2泛音”或“第2倍音”，则指“第3谐音”或“第3分音”，以此类推。）按他的理论，谐音列的变化对音色感觉的影响最大。不同的谐音列作用于人的听觉系统，耳蜗中的基底膜就会对这些谐音频率进行分析、合成，最后在大脑中生成不同音色的感觉。

此外，基于实验结果，他还提出了谐音列与听感之间存在的四种相关规律：

（1） 包含简单谐音的乐音（如音叉或管风琴的闭管），大多数听起来非常轻柔、悦耳、但是在低频段比较黯淡。

（2） 带有6个以上谐音的乐音（如钢琴、圆号和人声）听起来更丰满、更具有乐音效果。

（3） 只含有厅数倍数的谐音的乐音（如单簧管、管风琴和闭管），听起来比较空洞，如果基音比较强，总体音色仍比较丰满，如果基音强度弱，则听起来声音很薄。

（4） 带有很强的第6和第7号谐音的复合音，音色极为突出，但听起来比较粗涩、短促。

后来科学家发现，除非受到过特殊训练，否则人耳对谐音的变化并不十分敏感。对普通人来说，如果一种音色中的某一谐音的频率和强度发生变化，对音色感知并没有什么影响。因此，对于一些听力障碍者来说，中高频的听力损失并不影响他们分辨音乐中的音色。

起始状态

前面所述亥姆霍兹的研究和结论都是基于稳态的乐音结构。20世纪下半叶以后，人们发现人们对音色的感觉除了受谐音列影响外，还与乐音的起始状态有很大关系。乐音的起始状态就是乐音从无声到有声的一瞬间的状态。科学家认为：我们的听觉是通过对起始状态中的谐音能量变化进行分析，从而能够识别音色（该理论1972年由J.S.Keeler提出）。

还有科学家做过这样的实验：把一些管乐器发出的声音中的音头和音尾去掉，然后让乐队中演奏这些乐器的演奏员来分辨，结果很多演奏员对自己经常演奏的乐器发生误判，祥细情况见下表：受试人数30人

判断结果 乐器种类	长笛	双簧管	单簧管	高音Sax	中音Sax	小号	短号	圆号	中音号	长号	不能判断
长笛	1	2		1	6	5	4			4	7
双簧管		28									2
单簧管	1	1	20	4	3						1
高音Sax			25	2	1						2
中音Sax				3	4		1	11	5	5	1
小号	8				6	2	3	4	1	3	3
短号
圆号	1			2	3			5	6	6	7
中音号			1	1	2	3	2	4	7	3	7
长号	2	1		5	3			1	5	9	4

从表中可以看出，正确判断率超过50%的只有双簧管（93%）和单簧管（67%），仅占乐器总数的20%。而误判率最高乐器竟然是大家经常可以听到的长笛，30个人中只有一个人作出了正确的判断！由此可见，假如去掉了起始状态，我们对平时最熟悉的音色也会作出错误的判断。

我们还可以用一个很容易做到的实验来证实上面的理理。把一个正常录制的声音反过来播放（在计算机上用音频编辑软件可以很容易做到这一点）：把起始状态放到了音尾，而音尾又变成了起始状态，重放的音响效果与正常播放时大相径庭，你丝毫不觉到原来的音色效果。这个例子说明，一个声音的音色与时间是有着密切联系的。

在电子乐器发展的早期，乐器设计师都是按照每件乐器的谐音列去合成音色，根本没有考虑其状态因素，结果电子乐器所发出的声音与真实乐器仍然有相当大的距离（大家听一听早期电子琴发出的声响就就可以感觉到这一点）。后来，设计师把每件乐器起始状态的因素加进去之后，电子乐器才越来越像真实的乐器。今天的新型电子合成器不仅可以模拟任何乐器的起始状态，甚至可以模拟某一件乐器的各种起始状态，譬如小提琴的拨奏、拉奏、跳弓、断弓等各种不同的起始状态，声音的逼真度大提高。

显然，谐音列和起始状态对我们的音色感知都具有一定的影响力。但是哪一项对我们的音色识别影响最大呢？有两个科学家通过实验指出：上述两项因素在不同的乐器上会产生不同影响力，对双簧管、单簧管、巴松、大号和小号这些乐器来说，谐音列的影响力要大于起始状态；对长笛来说，起始状态远远大于谐音列；而对长号、圆号这些乐器来说，谐音列和起始状态的作用遇不相上下（）。

总体上讲，只有那些极为特殊的乐器音色，谐音列才能不依赖起始状态而单独发生作用。

此外，相位也会对音色的识别产生影响，同样是长笛的音色，分别在小房间和大礼堂听。效果就不同，其中就有相位变化的因素在起作用。但宗合起来看，人耳主要通分析声音的谐音列结构和起始状态来获得“音色”的感知。

资料来源，《音的历程》作者：韩宝强

呵呵,那个实验很有趣.