双耳线索临界感知频率依赖性

借鉴绝对静音门限测听实验，本小节的实验均对人耳听阈内的等响度序列进行测听。对双耳线索ILD、ITD和IC前后进行了16批次，为期1.5年的主观测试实验。平均每批次有近10名专业人员参与测试，实验的基本条件:

(1)测试地点:武汉工业学院音视频实验室的专业听音室。

(2)测试人员:武汉大学音频专业研究生和武汉工业学院本科生，共16人，男女比例5∶3。

(3)测听结果:由平均得分和95%置信区间范围组成，在统计方差时计入所有测听者的测听结果。置信区间的求解如下:

标准偏差:σ，95%的置信区间:μ±

式中:t0.05是对应的学生分布值(Student’s t-distribution)。

下面介绍测听序列的制作原理，给出实验结果，并就结果进行简要的分析。

1.测听序列制作原理。

(1)声像方位测试。对于ILD和ITD参数，测试信号采用单频信号S(t)，频率范围取为20Hz～16kHz，取巴克带中心频点为待测试点，序列生成原理如图2-4所示。

图2-4　ILD和ITD的测听序列生成原理

图中单频测试音S(t)，经过两路增益g1，g2，以及延时d1，d2后，左耳入声L(t)和右耳入声R(t)分别为

此时，双耳线索ILD、ITD和IC分别为

对ILD参数来说，控制条件+=1可保持生成序列的能量稳定。

(2)声像宽度测试。对于IC参数，测试信号为两个不相关的窄带信号S1(t)和S2(t)，频率范围取为20Hz～16kHz，取巴克带中心频点为待测试点，序列生成原理如图2-5所示。

图中窄带测试音S1(t)和S2(t)，经过不同的参数α和β的调节，获得不同相关度的左耳入声L(t)和右耳入声R(t)分别为

此时，双耳线索ILD、ITD和IC分别为

图2-5　 IC测听序列生成原理

对IC参数来说，有两个控制条件:测试音S1(t)和S2(t)不相关，即cov(s1，s2)=0;测试音S1(t)和S2(t)能量保持相等，即=。

令IC调节参数α和β有关系，代入IC定义，有

定义:偏向角φ是声源边界与水平方向的夹角。当φ=0°时，声源边界在水平方向;当φ=90°时，声源边界垂直方向。如图2-6所示，声像宽度在垂直平面映射后的角度φ与φ有关系:

令φ=2α，有

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至此，可控参数变量只有偏向角φ，它与IC存在对应关系，我们可通过对偏向角φ的调节，生成相关度IC的测试序列。

图2-6　偏向角示意图

2.ILD实验结果与分析

图2-7所示曲线，中间较平缓，两头上翘，整体形状类似绝对静音曲线。

图2-7　ILD临界感知的频率依赖特性

(1)Bark1～Bark2，频率在0～200Hz范围内，双耳强度差的临界感知JND值大于6dB，即只有当ILD值大于6dB时，人耳能感知到声像方位的变化。

(2)Bark2～Bark18，频率在200～4400Hz范围内，双耳强度差的临界感知JND值基本在4dB左右，即双耳对ILD数值变化的敏感度较大。

(3)Bark19～Bark24，频率在4400Hz以上，双耳强度差的临界感知JND值均高于6dB，即只有当ILD大于6dB，双耳才能够分辨出声像方位的变化。

传统方法中，通常以1500Hz作为ILD参数提取的分界，仅在高频带提取ILD参数。但是从如上曲线看到:在极低和极高的频带，人耳对ILD的敏感度显著下降;在200～3700Hz频率范围内，本实验曲线基本保持水平，且认为敏感度一致较高。同时，该曲线符合文献［172］中第159页对ILD的分析图2.81。因此，编码中也需要综合考虑低频段的ILD参数在人耳感知上的定位作用。

3.ITD实验结果与分析

图2-8所示曲线中间较平缓，两头上翘，且高频部分有逐渐上升的趋势。

图2-8　ITD临界感知的频率依赖特性

(1)Bark1～Bark5，频率在0～500Hz范围内，双耳时间差的临界感知JND值稳定在0.2ms左右，即当ITD大于0.2ms时，人耳能感知到声像方位的变化。

(2)Bark6～Bark16，频率在500～3000Hz范围内，双耳时间差的临界感知JND值基本低于0.2ms，即双耳对ITD数值变化的敏感度较大，较低的ITD差异人耳就能够辨别出声像方位的变化。

(3)Bark17～Bark21，频率在3000～7500Hz时，双耳时间差的临界感知JND值基本高于0.2ms，且呈现随频率升高双耳敏感度下降的趋势。

(4)Bark22～Bark24，频率在7500Hz以上，双耳时间差的临界感知JND值高于0.5ms，即在高频双耳对ITD的感知比较迟钝，只有当ITD大于0.5ms情况下，双耳才能够分辨出声像方位的变化。

以上对ITD临界感知的频率依赖特性曲线的分析，与空间心理声学中对ITD的定性描述基本一致，即双耳时间差ITD线索在低频范围敏感，在高频范围不敏感。这里我们对这些定性的描述给出了可量化的数据指标，即具体的高低频划分的分界点，以及ITD的恰可感知数值。

4.IC实验结果与分析

图2-9所示曲线，除两个较明显的谷外，整体未呈现明显的高低频差异。

图2-9　IC临界感知的频率依赖特性

(1)Bark1～Bark2，频率在0～200Hz范围内，双耳相关度的临界感知JND值高于0.6，即当左右声道信号相关度大于0.6时，双耳才能够感知到声像宽度的变化。

(2)Bark3～Bark11，频率在200Hz～1500kHz范围内，双耳相关度的临界感知JND值在0.4～0.6波动，出现明显的波谷区。此时，双耳对IC数值变化的敏感度较大，较低的IC差异人耳就能够辨别出声像宽度的变化。

(3)Bark12～Bark16，频率在1500～3000kHz时，双耳相关度的临界感知JND值基本高于0.5，即在此频率范围双耳的IC敏感度不高，只有IC足够大时，双耳才能够分辨出声像宽度的变化。

(4)Bark17～Bark24，频率在3000Hz以上，双耳相关度的临界感知JND值稳定在0.4～0.6波动，出现小波谷。同样，此时双耳对IC数值变化的敏感度较大，较低的IC差异人耳就能够辨别出声像宽度的变化。

以上对IC临界感知的频率依赖特性曲线的分析，双耳相关度IC线索在数值低于0.4的情况下，双耳基本上无法感知声像宽度的差异，因此，只有在IC值大于0.4，即声道间相关度较大的时候，IC值才有一定的听觉意义。通过实验，我们给出了IC参数的可量化的数据指标，可为IC参数冗余信息去除提供依据。