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等ラウドネス曲線は、周波数スペクトル全体にわたって音圧レベルを測定したもので、リスナーが純粋で一定の音を提示されたときに一定のラウドネスを知覚するものです。 [ 1 ]ラウドネスレベルの測定単位はフォンであり、等ラウドネス曲線を参照して求められます。定義によれば、周波数の異なる2つの正弦波は、聴覚に大きな障害のない平均的な若者によって同じラウドネスとして知覚される場合、フォンで測定されたラウドネスレベルが等しいとされます。
フレッチャー・マンソン曲線は、人間の耳の等ラウドネス曲線の多くのセットの 1 つであり、ハーベイ・フレッチャーとワイルデン・A・マンソンによって実験的に決定され、1933 年にJournal of the Acoustical Society of Americaに掲載された「ラウドネス、その定義、測定、計算」というタイトルの論文で報告されています。[ 2 ]フレッチャー・マンソン曲線は、より新しい規格に置き換えられ、組み込まれています。決定的な現代の曲線は、国際標準化機構のISO 226で定義されているもので、さまざまな国で行われた現代の測定のレビューに基づいています。
耳が異なる周波数を異なる音量レベルでどのように聞き取るかというテーマに関する最初の研究は、1933年にフレッチャーとマンソンによって行われました。最近まで、フレッチャー・マンソンという用語は、一般的に等ラウドネス曲線を指すのに使われるのが一般的でしたが、1956年にロビンソンとダッドソンによって再測定が行われ、それがISO 226規格の基礎となりました。
現在では、等ラウドネス曲線という一般的な用語が好まれており、フレッチャー・マンソン曲線はそのサブセットとなっています[ 3 ]。特に、ISOによる2003年の調査で新しい規格で曲線が再定義されて以来、この傾向が顕著になっています[ 4 ] 。
人間の聴覚系は、約20Hzから最大で約20,000Hzまでの周波数に敏感ですが、聴力の上限は加齢とともに低下します。この範囲内では、外耳道の共鳴と中耳の耳小骨の伝達関数により、人間の耳は2kHzから5kHzの間で最も敏感になります。
フレッチャーとマンソンは、ヘッドホンを使用して等ラウドネス曲線を初めて測定しました（1933年）。この研究では、被験者はさまざまな周波数と10 dB刻みの刺激強度で純音を聞きました。各周波数と強度について、被験者は1000 Hzの基準音も聞きました。フレッチャーとマンソンは、被験者が基準音をテスト音と同じラウドネスだと認識するまで基準音を調整しました。ラウドネスは心理的な量であるため測定が難しく、フレッチャーとマンソンは多くの被験者の結果を平均して妥当な平均値を導き出しました。最も低い等ラウドネス曲線は、最も静かな可聴音、つまり絶対的な聴覚閾値を表します。最も高い曲線は、痛みの閾値です。
チャーチャーとキングは1937年に2回目の測定を行ったが、彼らの結果とフレッチャーとマンソンの結果は聴覚図の一部でかなりの相違を示した。[ 5 ]
1956年、ロビンソンとダッドソンは、より正確だと考えられる新たな実験的測定法を開発した。これは規格（ISO 226）の基礎となり、2003年にISOが世界中の研究グループによる最新の評価に基づいて規格を改訂するまで、決定的なものとみなされていた。
初期の測定結果と最近の測定結果との間に認識された相違点を受けて、国際標準化機構（ISO）はISO 226の標準曲線を改訂しました。 これは、日本の東北大学電気通信研究所が調整した研究の提言に応じたものです。この研究では、日本、ドイツ、デンマーク、英国、米国の研究者による複数の研究結果を組み合わせることで、新しい曲線が作成されました。（日本はデータの約40%を提供し、最大の貢献国でした。）
この結果、ISO 226:2003として標準化された新しい曲線セットが最近受け入れられました 。レポートでは、驚くほど大きな違いについて言及しており、元のフレッチャー・マンソン等高線は、 特に低周波数領域で10～15 dBもの差があるように見えるロビンソン・ダッドソン等高線よりも最近の結果とよく一致しているという事実について述べていますが、その理由は説明されていません。[ 6 ]
ISOの報告書によると、ロビンソン・ダッドソンの結果は異質なもので、フレッチャー・マンソン曲線よりも現在の標準から大きく異なっていた。報告書は、A特性重み付け標準の基礎となった40フォンのフレッチャー・マンソン曲線が現代の測定結果と一致していたことは幸運であると述べている。[ 4 ]
報告書では、低周波領域で顕著に見られる大きな違いについても言及しているが、その原因は未だ解明されていない。考えられる説明は以下のとおりである。[ 4 ]
適度に離れた音源からの実際の音は、平面波面として到達します。音源がリスナーの真正面にある場合、両耳は同じ強度を受け取りますが、約 1 kHz を超える周波数では、外耳道に入る音は頭部の影によって部分的に減衰され、また耳介（外耳）からの反射にも大きく依存します。中心からずれた音は、片方の耳で頭部マスキングを増加させ、特に反対側の耳では耳介の影響に微妙な変化をもたらします。この頭部マスキングと耳介反射の複合効果は、頭部伝達関数（HRTF）と呼ばれる 3 次元空間の曲線群で定量化されます。等ラウドネス曲線を導出する際には正面提示が好ましいとされており、最新の ISO 規格は正面および中央提示を特に基準としています。
通常のヘッドホンでのリスニングではHRTFは関与しないため、ヘッドホンを使用して導出された等ラウドネス曲線は、側方提示と呼ばれる特殊なケースでのみ有効であり、これは私たちが通常聞く方法とは異なります。
ロビンソン・ダッドソン測定ではスピーカーが使用され、フレッチャー・マンソン曲線との差は、長らく後者がヘッドホンを使用していたことが一因として説明されてきた。しかし、ISOの報告書では、後者が補正付きヘッドホンを使用していたと記載されているものの、ロビンソン・ダッドソンがどのように補正を実現したかは明らかにされていない。
耳にしっかりと密着する良質なヘッドホンは、低周波域において耳道への圧力応答を平坦にし、高音量時でも歪みが少ない。低周波域では、耳は純粋に圧力に敏感であり、ヘッドホンと耳の間に形成される空洞は、変調共振を導入するには小さすぎる。したがって、ヘッドホンによるテストは、約500Hz以下の等ラウドネス曲線を導き出すのに適した方法である。 ただし、耳道を塞ぐと耳の中の血流音に対する感度が高まり、脳が通常のリスニング環境ではそれをマスキングしているように見えるという観察に基づき、実際の聴力閾値を決定する際のヘッドホン測定の妥当性については疑問が呈されている。高周波域では、ヘッドホン測定は信頼性が低くなり、耳介（外耳）と耳道のさまざまな共振は、ヘッドホンの空洞との近接によって大きく影響を受ける。
スピーカーの場合、その逆が当てはまります。低周波特性を平坦にすることは困難です。地上から高い位置にある自由空間、または20 Hzまで反射音のない非常に大きな無響室 以外では不可能です。最近まで、高調波歪みを起こさずに20 Hzまでの周波数で高いレベルを達成することは不可能でした。今日でも、最高のスピーカーでも、全高調波歪みは1～3%程度で、基本周波数より30～40 dB低い値に相当します。100 Hz以下の等ラウドネス曲線からわかるように、周波数とともにラウドネスが急激に上昇する（1オクターブあたり最大24 dB上昇する）ことを考えると、これは十分ではありません。優れた実験者は、被験者が基本周波数だけを聞き、高調波、特に第3高調波を聞き取らないようにする必要があります。第3高調波は、スピーカーコーンのサスペンションがコンプライアンスの限界に達して動きが制限されると特に強くなります。この問題を解決する方法の一つとして、スピーカー構成に共振空洞などの音響フィルタリングを用いることが考えられます。一方、現代のスピーカーを軸上に配置すれば、20kHzまでのフラットな自由音場高周波特性を比較的容易に実現できる。等ラウドネス曲線の測定結果を様々に比較する際には、これらの影響を考慮する必要がある。
騒音測定に広く用いられているA特性曲線は、40ホンのフレッチャー・マンソン曲線に基づいていると言われています。しかし、1960年代の研究では、純音を用いて等ラウドネスを判定しても、騒音の知覚に直接関係がないことが示されました。[ 7 ]これは、内耳の蝸牛が音をスペクトル成分で分析し、各「有毛細胞」が臨界帯域と呼ばれる狭い周波数帯域に反応するためです。高周波帯域は絶対値で低周波帯域よりも広いため、騒音源から比例してより多くのパワーを「収集」します。しかし、複数の臨界帯域が刺激されると、脳への信号はさまざまな帯域を加算してラウドネスの印象を生み出します。これらの理由から、純音を用いて得られた曲線と比較すると、騒音帯域を用いて得られた等ラウドネス曲線は、1kHz以上では上向きに傾き、1kHz以下では下向きに傾きます。
1960年代には、特にオーディオ品質測定に関するDIN 4550規格の一部として、さまざまな重み付け曲線が考案されました。これらの曲線はA特性曲線とは異なり、6kHz付近にピークが顕著でした。これにより、オーディオ機器、特に当時新しく開発されたドルビーノイズリダクション搭載のコンパクトカセットテープレコーダー（高周波が支配的なノイズスペクトルが特徴）におけるノイズの主観的な評価が、より意味のあるものになりました。
BBCリサーチは、放送機器のノイズ測定に最適な重み付け曲線と整流器の組み合わせを見つけるため、聴取試験を実施しました。この試験では、さまざまな新しい重み付け曲線を音ではなくノイズの文脈で検証し、ノイズの主観的な音量を測定する際には、A特性重み付けよりもはるかに有効であることを確認しました。この研究では、短時間で衝撃的な性質を持つため、耳と脳が反応するのに十分な時間を与えないトーンバースト、クリック音、ピンクノイズ、その他さまざまな音に対する人間の聴覚の反応も調査しました。その結果は、BBCリサーチレポートEL-17 1968/8「オーディオ周波数回路におけるノイズの評価」に報告されています。
ITU -R 468 ノイズ重み付け曲線は、元々はCCIR勧告 468で提案されたものですが、後に多数の標準化団体 ( IEC、BSI、JIS、ITU ) に採用されました。この曲線は、短いバーストやクリックに対する感度の低下を考慮するために、特別な準ピーク検出器を組み込んだ研究に基づいています。 [ 8 ]放送事業者やオーディオ専門家が放送経路やオーディオ機器のノイズを測定する際に広く使用されており、ノイズスペクトルや特性が異なる機器の種類を主観的に比較することができます。