在听觉实验中经常出现的研究变量有哪些

听觉是人类和许多动物共同具有的感觉现象之—。人的听觉是借助于耳来实现的，是对一定频率范围内声音刺激的感觉。听觉现象的产生受许多因素作用的影响，我们只有全面了解这些因素及其性质，才有可能把握住它，更好地处理好听觉实验中的各种变量及其关系，从而揭示纷繁的听觉现象和规律。

一、听觉的物理刺激和音感

（一）声波及其特征

听觉（audition）是个体对声波物理特征的反映。频率为16赫～20000赫的机械波为声波。听觉的适宜刺激是声波。声波是弹性媒质中物体振动所激起的纵波。当空气振动波到达我们耳内时，就产生听觉（参见图7-1）。

图7-2是一个机械振荡器振动扬声器产生声波直至画出正弦曲线的模拟装置。这个装置类似于蒸汽机火车头的汽缸动力装置。图中的圆轮即为机械振荡器，与它相联的为两个活塞，左边的活塞带动画笔，描绘运动曲线；右边的活塞振动膜片，使扬声器发音，再由麦克风传到示波器中，显示出声波的波形图。在实验操作中，当我们改变圆轮的转速，如使其逐渐加快，则扬声器中发出的声音会由“粗”变为“细”，同时，记录纸和示波器上的图形也会发生相应的变化——波纹由疏变密，频率增加但振幅不变；而当我们改变圆轮的半径，使其不断增加，则扬声器中的声音逐渐加大，波形记录上的频率不发生变化而振幅却相应加大。通过这个演示实验，我们可以知道，声源振动频率可以改变声音的高低，而振幅可以使声音的强度发生变化（参见图7-4）。

从图7-2上看到，扬声器所发出的声音的频率、振幅都是由圆轮及其转动所决定的。由于声音的波形为正弦曲线，所以这种音为纯音。在日常生活中，纯音一般是很难听到的，通常只有在实验室中由音叉或机械（电子）振荡器才能产生。在现实生活中，我们听到的是由若干波形混合而成的复合音，如各种汽车产生的噪音、电子琴发出的乐音和人的言语等等。纯音和复合音区分的根据是声波的线性特征，即是否可以进行波形的分解；而复合音中的乐音和噪音区分的根据是声波是否有周期性即规律性振动，当然，人的主观舒适感也是一个十分重要的指标。例如，受许多青年人欢迎的迪斯科音乐，却被某些老年人称作噪音。言语音是复合音中的一种特殊现象，它不可以简单地视作乐音或噪音。

听觉刺激声波和视觉刺激电磁波均有三个主要特征，即频率、振幅和波形。与此相应，听觉有音高、响度和音色的区别。如果把声音和颜色类比的话，可发现二者的对应关系，见表（7-1）。

表7-1 视觉和听觉的类同之处

（采自张春兴，1991）

在明白了声波及其特征之后，接下去我们分别讨论声波的三个主要特征以及与此相对应的音感。

（二）频率和音高

音高（或音调）（pitch）是人对声波频率的主观属性，它首先和声波频率有关。频率（frequence）是物理量，指每秒振动的次数，单位为赫（或赫兹）（Hz）。声波的振动频率高，我们听到的声音就高；相反，振动频率低，听起来就低，但它们之间并非线性关系。当声波振动数大约在16～20，000赫时，是人所能感受到的音域。

让我们再回到图7-2的演示实验中，当改变圆轮的转速时，声音的高低发生了变化，这就是说频率决定了声音的音高。这里的频率是指声源每秒机械振动的周数，图7-3中罗列了乐器、人和多种动物发声的频率范围。从图中可知，女性的声音频率值稍高于男性，而且频率范围也要大些；动物和人的情况相差较大，最突出的是蝙蝠和海豚。蝙蝠和海豚所发出和被感知的声音频率可达120，000赫以上，它们的下限值与人类声音的倍音上限接近。通常，人耳接受的声音频率范围为20～20，000赫，40岁以上的成人听力上限还会下降到12，000赫左右，甚至更低，而敏感的声音频率范围为1，000～3，000赫。我们所提到的声音的频率只是一种物理量，而人对它的感知则是音高。心理上的主观音高主要与声音刺激的频率大小有关，但并不是完全由刺激频率决定的，它也取决于声音刺激的强度。实验研究表明，对于同一声音刺激的音高感知，不同的人之间有着巨大的个体差异，这充分表现了音高这个心理量的主观性。在心理学中，我们根据实验研究，规定音高的单位为 （mel），确定1000 的音高为10O0赫（声压级为40分贝）的声音刺激的主观感觉。这样，在声音强度不变的情况下，我们便可以对不同频率的声音刺激进行音高判断，并可探求出音高和频率间的关系。而且纯音音高和频率的相关可借助于心理物理法直接求得，即可在可听范围内把音高从低到高地分成等级，制成一种音量表。图7-13是一个音高量表，从图上可以明显地看出音高随频率而变的函数关系。

（三）振幅和响度

响度（或音强）（loudness）是声波振幅的一种主观属性，它是由声波的振幅所引起，振幅越大则响度越大。图7-4下面二条曲线虽然频率相同，但振幅不同。中间一条曲线振幅较小，即声音响度较弱；下面一条曲线振幅较大，即声音响度较强。

图7-2的演示实验表明，声音刺激的振幅变化，导致扬声器中声音响度的改变。声波的振幅是指示波器中显示出的纯音正弦曲线的最大高度，声波振幅的大小决定于作用在声源上的力的大小。通常讲，声源的振动频率主要决定于声音自身的属性，而声源的振幅则决定于外界施加的力——传递的能量。对于振幅，公认的测量方法是对声波的压力测量，它可用声压、声压级、声强、声强级、声功率级来度量。实际上，听觉响度常用比例表示，而不用绝对量表示。

声波造成的压力变化用分贝（decibel，简称dB）量来测量。分贝量表是一种对数量表，它将人所能感受的巨大范围的振幅变化值压缩在较小的范围内（见表7-2）。卡尔索（Corso，1967）通过多种实验研究指出，人耳所能探测的最强音比其所能听到的最弱音大约强1000亿倍。当然，不同的人对最强音和最弱音的察觉范围存在着个体差异，而且个体对各频率的声音的敏度也不完全相同。对于分贝量，我们规定以人类能听到的平均绝对阈限值，即1000赫附近的压力变化为0分贝参考点，此时的压力为0.0002达因/平方厘米。这样，20分贝的声音，人的主观感觉约相当于三米远处柔和的低语声的声响，根据分贝量表其压力为我们能听到的最柔和声音的10倍。平常，人们的讲话声音约为60分贝的水平，这就比参照压力大1000倍。人耳能对高达125～130分贝的声压作出反应，如从身旁经过的火车、响雷或机枪射击时所发出的声压，但130分贝的声压也会使耳产生痛感，若长时间保持这样高的声压水平，人耳的听力机制就会受到损伤，这也就是纺织女工、爆破工等工种听力敏度下降的一个原因。

与声波振幅这个物理量相对应的心理量是响度。响度是振幅的一种主观属性，它主要与声波的振幅有关，但同样亦受频率的影响。测量声音响度的

表7-2 分贝量表（dB量表）

*痛阈；&可闻阈 （采自Cohen，1969）

国际标准单位是 （sone），一个 为40分贝时所听到的1000赫的音调的响度。这样，在频率不变的情况下，我们就可以得到声压与响度之间的关系，以便进一步对频率、振幅和响度间的关系进行探索研究。人耳所感受到的响度大小，首先依声音的强度为转移，与强度的对数成正比；其次，不同频率的声音，若在我们主观感觉上听起来一样响，它们所要求的强度是不一样的。在实际工作中可参照等响曲线查出它的响度（参见图7-17）。

（四）波形和音色

音色（timbre）是声波波形的一种主观属性，也就是指我们听到声音在波形上的差异。不同的发音体所发出的音波都有自己的特异性。图7-5为四种不同的发音体所发出的波形，虽然它们的频率和振幅大体相同，但是它们的波形相差很大，因而我们听起来这四种音是极不相同的。这就是音色上的差异。

声波的类型是多种多样的，一般可分为纯音和复合音两大类。

1.纯 音

根据测听器的分析，波形呈正弦曲线的声音叫纯音（Pure tone），如音叉的声音和用音频信号发生器发出的声音。在自然环境中我们所能听到的声音极少是单一的纯音，而是不同频率和振幅混合而成的复合音。

事实上绝大多数发声体的振动波都是比较复杂的，都是由若干正弦声波合成的复合声波。如各种乐音、噪音和言语音都属于复合音。由于一般振幅的声波具有线性的特征，因而可以把任何复合音分解成若干不同频率的纯音（见图7-6）。

2.复合音

复合音（complex tone）乃是不同频率和振幅的纯音相混合而成的音，按组成它的各纯音频率之间的不同关系可分为乐音和噪音两种：

（1）乐音具有周期性的振动，给人以舒适的感觉：乐音（musical tone）乃是波形呈周期性变化的声音。乐音除包括一个频率最低、振幅最大的基音外，还包括许多与基音成整倍数的较高频率的倍音（又叫泛音或谐音）（over-tone）。基音（fundamental tone）是复合音中频率最低、振幅最大的成分。实际的发声体发出的声音，绝大多数是由许多频率成分组成的复合音。倍音的多少和强弱影响到声音的音色，根据不同的音色我们才能分辨各个人不同的口音和不同的乐器音。倍音越多，听者愈感到声音丰富和圆润。电子乐器比一般乐器能发出更加悦耳动听的声音，就是这个缘故。

音色是一个复杂的概念，具有多维的品质，它不但依存于倍音的结构，还受频率与振幅的影响。实验用的滤波器把各种乐器的倍音逐步滤掉，它们的声音就逐渐丧失其原有的音色，最后只剩下同一频率的基音，听者就不能分辨这些基音是从什么乐器发出来的。如果倍音逐步增加，各种乐器的音色又逐渐显示出来。音响设备的效果也与此有关。

（2）噪音（noise）具有非周期性的特征，组成它的各纯音频率之间没有整倍数的关系 噪音不仅使人感到厌烦，而且还会引起听觉功能的障碍。事实上，噪音的振幅、频率和持续的时间等因素都能给人造成身心的影响，甚至导致死亡。但噪音也有它的实用价值，如临床上常用一种混合的噪音去掩蔽对侧耳的听力来测量被测耳的听力。这种噪声又称白噪声（whitenoise），它是由各种频率组成，各成分之间具有同样振幅在相位上无系统关系的非周期性复合音，因为白噪声像白光一样，把全部频率成分都结合在一起（见图7-7）。

应当指出乐音和噪音只具相对意义。一方面，同一声音在不同场合可以是噪音，也可以不是噪音；另一方面，平常我们听到的乐音中总不免有噪音的成分，钢琴、无线电或留声机等在发出乐音的同时也发出一定量的噪音，而一般噪音中也含有一定周期性的乐音。因此，鉴别某种声音是乐音还是噪音，既要看哪种音占优势，还要看听者的主观评价。

（3）语音是特殊的复合音 语音是由元音和辅音构成的。元音（或母音）（vowel）是一种能连续发出的乐音。辅音（或子音）（consonant）是由声道的封闭或开放而发出的语音，包括塞音、擦音、流音、鼻音等，它主要是不能连续发出的短促的噪音。元音与辅音合成汉语音节。特殊的语音（如汉语）还带有声调。元音是周期性的。不同的元音乃由不同的声道形式而形成，主要是通过舌和唇的动作，发元音时声带是振动的，声道是比较畅通无阻的。辅音一般是非周期性的，兼有乐音和噪音两个成分。辅音可分为有声和无声两种。有声辅音也称浊辅音，无声辅音也称清辅音。各种辅音都是由气流经过口腔或鼻腔，受到了发音器官不同部位的阻碍而形成的。要划分元音和辅音有时不太容易，为此语言学家提出了区别元音和辅音的三个标准：（1）发元音时，气流不遇到什么阻碍，而发辅音要受到声道的阻碍；（2）发元音时发音器官是均衡地保持着紧张的，而发辅音时，发音器官有张有弛，受阻部分紧张，其余部分松弛；（3）元音的气流较弱，而辅音（尤其是不带声的辅音）气流则较强。

语音知觉是人类特有的听觉。语音虽然属于复合声，但带有它自己的特点。作为声源的言语器官是人类千万年前社会劳动的产物。我们对语音的知觉也是在社会生活中形成和发展的，也带有它自己的特点。

（五）声波的相互作用

一个声波同时与另一个声波相遇或与邻近的物体发生作用会产生声波的相互作用现象，下面介绍常见的声波相互作用现象。

1.共 鸣

一个振动的物体产生的声波使邻近的其他物体也发生振动的现象，叫做共鸣（或和振）（resonance）。起共鸣的振动叫受迫振动。实验演示可将两个频率相同的音叉A与B相距数尺，用小木锤敲击A，随即用手制止它振动，可以听到B在振动发音。再如，若把振动的音叉放在箱子上，会增强音叉的声音，把音叉从箱上移开，音叉的声音就微弱得多。各种乐器由于不同的结构而具有不同的共鸣的特性，不同的共鸣腔体为某些倍音提供共鸣的条件。歌唱家发出的高、中、低的每一个音都有头腔、口咽腔和胸腔这三个共鸣腔体不同比例的振动，虽然音色基本上应该是一致的，但由于三个腔体混合共鸣的作用不同，便获得优美的、富有音乐感的艺术效果。可见心理声学原理可以提高歌唱家的艺术效果。

2.强化与干涉

二个声波间的相互作用，受声波的特征所制约。当两个振幅相差不大、频率相同、相位相反的声波合成后便相互抵消产生寂静，参见图7-8（c）的情况。如果频率相同、相位一致、振幅近似相等的二个声波合成后，便相互强化产生近似两倍振幅的声波，参见图7-8（b）的情况。如果频率相近，其合成波仍可看作是正弦波，只是交替地发生强化与干涉，参见图 7-8（a）的情况。合成波的振幅随时间发生周期性的变化，这时听到的声音叫做拍音（beat sound）。一秒钟内产生一次完全的强化或完全的干涉为一拍。每秒的拍数V等于两音频率的差数：

V＝|V1-V2|

假如将频率相近的两个正弦波同时输入示波器，可以观察到呈现周期性的强化与干涉的声音混合的合成图形。例如，两声波分别为136赫与146赫，一秒钟内会有10次完全的强化，10次完全的干涉，也就是每秒10拍，参见图7-9。

音调的和谐与否与拍数有密切的关系。当拍数达到70左右时（中音阶的C与E音）效果是和谐的。

3.差音与和音

差音（difference tone）是两个频率适当的纯音同时发声时，可听到一个音高为两个原始纯音频率之差的第三音。差音是一组音，若l表示较低的原始纯音频率，h表示较高的原始纯音频率，D表示差音频率，则一组差音频率为：D1=|h-l|，D2=|2l-h|，D3=|3l-2h|，D4=|4l-3h|。和音（summation）是两个振幅大致相等，频率相差50赫以上的纯音同时作用于听觉器官，可以听到频率分别等于两原始音的和，即 h＋1，2l＋h， 3l＋2h等一组音。例如，当混合两个振幅大致相等频率相差30赫以上的声音时，我们不仅可以听到拍音，还可以听到另外二个音：一个等于两个频率差的差音，另一个等于两个频率和的和音。差音与拍音不同，因为两音虽然是同时听到的，但当听不到拍音以后，还可以听到差音。当听到一个比被混合的一个高频音更高的音调时，这就是和音的效果。当然混合不同的音阶的倍音同样都可以产生差音与和音，但要把它们从总的音响效果中分辨出来是很困难的，这要具备一定的实验条件和经过特殊的听觉训练才行。和视觉一样，人类听觉的潜能是巨大的。

二、听觉实验中的各种变量

第二节我们将介绍听觉现象中的主要属性及其各自的性质，在此之前，先了解它们各自在心理学实验中担任的角色，以及它们充当变量的情况，这是很有必要的。

（一）自变量

自变量（或自变项）是实验过程中主试有意加以改变的因素，通过它的变化来探寻因变量的变化。自然，因变量即是主试在实验中要观察的现象和测定的指标。任何一个自变量或因变量都不能单独存在，同时某一确定的自变量和因变量又不能离开具体的实验。某一指标在一个实验中可以作为自变量，而在另一实验中却可以成为因变量。下面，我们通过具体实验来看看听觉实验中的自变量。

听觉定位（或声源定位）（auditory localization）是听觉的方向定位。双耳是辨别声音方向的重要器官。图7-10是用声笼法来研究听觉定位的装置。实验中，主试将被试双眼蒙住，以去除掉视线索的作用，然后用固定器固定好被试头部位置，防止实验进行中双耳位置的变化。此时，被试的头部周围有三个圆环，一个是矢状切面的圆环（即图中的深色环），与矢状在顶中相交的为冠状环，而与这两个环水平相交的为横向环，这三个环是以被试的双耳联线中心为圆心的圆球上的三个圆环。实验中，将刺激呈现器随机地在事先选择好的位置上呈现纯音、滴答声或噪音，让被试进行声音方位的判断，并作相应的记录。

听觉定位实验是一个典型的听觉实验。在实验中，一般取不同种类的声音刺激（纯音、滴答声和噪音）和不同呈现位置作为自变量，主试通过控制刺激呈现的位置变化和呈现不同的刺激内容来探寻人类在双盲情况下依据固定的双耳进行声音刺激位置判断的规律。任何一个听觉实验，都离不开声音刺激，声音刺激可以作为自变量，也可以不作为自变量而作为控制变量。在这个实验中，当其他条件不变时，我们选用声音刺激作为自变量。只有主试能控制声音刺激时，才有可能使被试进行声音定位判断，而当声音刺激成为控制变量而不起变化时，也就谈不上进行定位判断了。此外，声音刺激能由主试进行良好的操纵，这主要体现在以下几个方面：

（1）声音刺激的恒定性：在声音刺激呈现的时候，只要确定了振幅、频率（如纯音），就可以使音高、响度不变，条件均等。

（2）辨别性：我们选用自变量的声音刺激，使被试利用双耳进行方位判断成为可能。因为根据声波传导的时间特性及几何学原理，人类可以利用双耳进行方位辨别。

（3）可控性：对于声音刺激作自变量，主试能较严密地进行操作控制。我们既可以利用仪器设备保证自变量的恒定性，同时又能在恰当的范围内随意变化自变量。自变量的变化主要有两个方面，一为量的变化，如某一声音持续时间的长短；一为质方面的变化，声音的三个特性中任一个发生变化，就会导致声音刺激的性质发生变化。对于任何一个实验，在自变量挑选确定以后，其操作——控制呈现亦是一个至关重要的问题。同一个自变量，不同的呈现方式就有可能导致因变量产生影响。呈现位置一般取自三个圆环上以45°为间隔的各个位置，倘若我们在呈现位置选择上不合适（如不对称），则会使我们在进行结果分析时产生差错；倘若我们对刺激的呈现序列不科学——不随机化，则被试就会掌握其规律或产生其他错觉，从而使得整个实验失去意义。从这个例子中可见，自变量的选择、控制在听觉实验中是非常重要的。

（二）因变量

在心理实验中，主试在确定好自变量以后，接下来就是考虑因变量了，因为了解因变量（或依变项）的变化规律是实验的目的所在。就上述实验而言，根据声音刺激出现在不同的十七个位置点时，被试对声音定位的正误判断，实验者就可进行统计分析，可以得出被试对位于左右方向（即冠状面）声音刺激的辨别正确率明显高于前后方向（即矢状面）；而当分别用纯音和噪音作刺激呈现时，则噪音作自变量时的判断正确率（任何位置）都要高于纯音。当然，对这一实验结果还可以进行深入的研究。如我们可以对第一个结果的因变量记录进行数量化，即不仅只用正误判断，而改用偏离正确定位的角度记录，于是得到表7-3。表中的数据反映了声音刺激偏离矢状面的角度与相应位置判断偏离的平均角度数。从这不同的实验结果中，我们可以看出，不同的自变量变化可以产生不同的因变量变化，而相同的自变量变化亦产生不同的因变量结果。

表7-3 声音位置与声音定向的关系

（采自张 翔等， 1990）

针对任一确定的自变量，如何确定因变量和利用其变化来产生所需的各种变化，完全在于主试如何确定相应的因变量指标。首先，主试要挑选能反映实验目的和要求的指标。就上例而言，主试若以反应时的长短为指标，则不能说明被试在判断方位准确性方面的情况，而仅能反映速度方面的规律。其次，主试所挑选的指标在用指导语进行解释时，要言简意赅，前后统—，使得任何一名被试能有一致的客观标准。如果不同的被试对反应方式或实验方法不能很好掌握，无疑会使实验结果产生各种误差，从而得不到真实的实验结果。再次，对于因变量的客观指标，要力求能进行明确的辨别和准确的测量。对于能够数量化的因变量，要力求用数字表示，以便于对自变量与因变量之间的关系进行定量研究。对于性质辨别（如是否判断）也应力求客观化，以避免主观因素的影响作用。这些心理学研究的共同原则，都适用于听觉实验。

（三）控制变量

听觉实验的控制变量，主要有机体变量和操作变量。对于机体变量的控制，如被试的性别、年龄、智力等特征，可以通过实验设计的安排来进行控制，而情绪状况、健康状况等指标则可在对被试的选择时进行适当的剔选，以保证实验结果的可靠。

对于操作变量的控制，主试要适当地运用娴熟的实验技术来对实验条件和实验过程进行良好的调节。听觉实验多为室内实验，这就对实验环境提出了一些特殊要求，尤其是进行听力测量等实验，必须具备相对无噪音的环境——隔音室。隔音室亦称作消声室，它的主要用途是建立可以控制的自由声场，以便进行语言、听觉有关的测试、研究工作；测定机器和其他声源的发声特性，或其他需要避免反射声、外来声干扰和模拟自由声场的工作。例如声波的衍射、干涉等现象。隔音室内的情况接近自由声场，它除了采用必要的隔音措施抑制外来噪音的干扰外，室内的六个表面（即四壁、地板、天花板）上都敷以吸音系数特别大的结构。通常尖劈结构用得较为普遍，相对地说，此构造比较简单，效果亦比较好。通常使用的尖劈为长 1m底部 20×20cm2，尖劈内装松乱的玻璃纤维，为了达到最佳的消音效果，玻璃纤维的密度也有一定的规定。

在听觉实验中，仪器也是一个十分重要的因素。例如在人耳听力的测量中，是用听力计发出频率、振幅通过电压加在耳机上来进行刺激的呈示。由于电子仪器能对声音刺激的频率、振幅进行随意选择，且能保持先后呈示的一致性，因而是一种较好的呈示装置，便于主试进行控制。对于一些较难重复的刺激，如言语、机械声、噪音等等，则可借助于录音机，进行再现和控制。对于实验中如何确定被试接受的刺激方式，则必须根据具体实验而定。如果是听觉定向实验，被试必然要运用双耳听觉，否则实验就无法完成，而且用扬声器和用耳机的效果是不同的。若是用单耳进行距离判断实验，则单耳的选择亦须十分小心，因为人的左右两耳在听力方面是有差别的，犹如双眼在视力上也常常是有差异的。