ANSYS 部落格
August 22, 2023
聽覺遮蔽效應：用聲音來控制聲音
在我們週遭，我們感知到的各種噪音多不勝數。所幸我們可以聽到的全部聲音，並不是我們實際所聽到的。在我們現代世界中，許多機械、環境和社r交噪音都被其他噪音掩蓋，這種現象被稱為聽覺遮蔽。聲音的交集—一種聲音阻擋另一種的情況—可能是自然發生的（例如雷聲掩蓋平穩的雨聲），也可能是有意設計的（例如牙醫診所中的背景噪音）。
什麼是聽覺遮蔽效應？
聽覺遮蔽效應指的是因另一個聲音的存在，而降低對一種聲音的感知。舉例來說，在需要高度隱私的醫療或法務辦公場所中，聽覺遮蔽效應可以藉由產生大量白噪音而發生，避免不應聽到的人聽見機密對話。在電動車中，加上主動的聲音可以蓋過電動馬達的高頻音，或底盤傳來的轟隆噪音。遮蔽效應可協助工程師將不想要的聲音 (訊號) 藏在其他聲音 (遮蔽) 之下，而較不被察覺。
電動車內噪音，可聽見原來的電動馬達噪音
電動汽車內部噪音，加入內燃機引擎聲音以掩蓋電動馬達的噪音
在降低噪音難以達成或不適宜的情況下，遮蔽效應就特別有用。為了消除聲音而改變設計可能會增加重量或影響系統的運作方式，使其速度變慢或效率降低。透過將聲音遮蔽而非消除，工程師就無需在功能理想但會產生很多噪音的設計上妥協。
遮蔽類型
影響聲音感知的聽覺遮蔽有兩種類型：同步遮蔽和時域遮蔽。
同時遮蔽
同步遮蔽（也稱為頻域遮蔽或頻率遮蔽）發生在不同頻率之間，當訊號與遮蔽同步發生時。
圖 1.同步遮蔽
400 Hz 純音
200-600 Hz 粉紅噪音
音調和噪音
純音：由單一頻率組成的聲音
粉紅噪音：每個倍頻段具有相同能量頻率的聲音
同時遮蔽與耳蝸基底膜的動態行為有關。它發生在由聲音創造的膜振動，通常在安靜的環境中能夠被檢測到，被另一個聲音創造的振動所“遮蓋”的情況下。前提是這另一個聲音足夠大聲，並且其頻率足夠接近第一個聲音。
圖 2.即使頻率內容並不重疊，訊號也可以被遮蔽。
圖 3 顯示沒有遮蔽 (綠色曲線) 時純音的聽覺閾值，相對於加上了各種級別 (20、40、60 和 100 dB SPL) 的 1100-1300 Hz 寬頻噪音的閾值 (藍色和紅色曲線)。
舉例來說，在沒有遮蔽的情況下可在 3 dB SPL 感知到的 1000-Hz 純音，在有 60-dB SPL 寬頻遮蔽噪音的情況下，強度必須要達到 43 dB SPL 才能被感知到。遮蔽聲音，遮蔽效果越強，覆蓋的頻率範圍也越大。相較於高頻遮蔽低頻，低頻遮蔽高頻較容易。
圖 3.純音沒有遮罩時的聽覺閾值 (黃色曲線) 和有遮罩時的聽覺閾值 (灰色和金色曲線)
時域遮蔽
時域遮蔽又稱為時序解析，發生在連續的聲音之間。在這種情況中，遮蔽聲音可能會在訊號聲音之前 (前遮蔽) 或是在訊號聲音之後 (後遮蔽)。
前遮蔽是指遮蔽聲音在訊號之前被聽到。兩種聲音之間的時間間隔在 200 ms 以內時，這就可能發生。前遮蔽是由於神經活動持續性所致，這種持續性可能會影響訊號的偵測。
圖 4.前遮蔽
後遮蔽是指遮蔽聲音在訊號之後被聽到，只有在時間間距值小於 20 ms 時才會發生。因此，後遮蔽的效率比前遮蔽低。後遮蔽可能是聽者在遮蔽聲開始時錯誤解讀訊號所造成。
圖 5.後遮蔽
時域遮蔽會影響我們的聲音感知，因為當聲音發生時，我們的聽覺系統可能已經在處理其他聲音。這會導致感覺到聲音之間的重疊，即使實際聲音並非同步發生。
圖 6.聲學刺激的神經活動表現
計算聲音感知指標時，同時遮蔽和時域遮蔽都會考慮到。對於穩態訊號，同時遮罩會被納入大多數音調指標和響度模型的考量；而對於非穩態聲音和脈衝聲音時間，以及波動強度的計算中，則會考慮時域遮蔽。
聽覺遮蔽效應的應用
在任何聲音知覺可能受到干擾或不愉快噪音存在的領域中，聽覺遮蔽都是至關重要的。瞭解並量化此現象對於提高通訊、生產力和安全性有幫助。
- 隱私：在需要保密和低調行事的空間中，遮蔽效應可降低語音可辨識度，避免非預期的人聽到私人對話。
- 語音增強：對於通訊系統，例如助聽器，遮蔽效應可用來選擇性放大或抑制頻率組成，進而提升談話的理解。
- 音訊壓縮：為了節省儲存空間，MP3 和 ATRAC (自適應聽覺轉換編碼) 會略過被遮蔽的聲音，以在聲音品質變化無法察覺的情況下壓縮檔案大小。
Ansys Sound 等工程軟體讓許多產業和應用領域的工程師能夠聽取、分析和設計音源，同時考慮感知到的遮蔽效應。
提高音量
雖然這聽起來與直覺背道而馳，但這是真的：要消除不想要的噪音，最好的解決之道可能是增加更多噪音。透過策略性地在正確的頻率和正確的時間上將聲音疊加在其他聲音之上，聽覺遮蔽效應可以完全改變我們感知聲音的方式，讓某些聲音消失，使其他聲音變得更清晰、更平衡。
若要進一步瞭解聽覺的心理學與生理學，請閱讀「Psychoacoustics: Understanding the Listening Experience」(心理聲學：瞭解聆聽體驗)。