等ラウドネス曲線

等音量曲線は、周波数スペクトル上の音圧レベルの尺度であり、純粋な定常音を提示されたときにリスナーが一定の音量として知覚するレベルです。 ^[1]音量レベルの測定単位はフォンであり、等音量曲線を参照して決定されます。定義により、異なる周波数の2つの正弦波は、著しい聴覚障害のない平均的な若者によって同じ大きさとして知覚される場合、フォンで測定された等音量レベルを持つと言われます。

フレッチャー・マンソン曲線は、ハーヴェイ・フレッチャーとウィルデン・A・マンソンによって実験的に決定され、1933年にアメリカ音響学会誌に「音の大きさ、その定義、測定および計算」と題された論文で報告された、人間の耳の等音量曲線の1つです。^[2]フレッチャー・マンソン曲線は置き換えられ、新しい規格に組み込まれました。最終的な曲線は、国際標準化機構のISO 226で定義されたもので、さまざまな国で行われた現代の決定のレビューに基づいています。

アンプには、音の低周波成分と高周波成分を増幅する「ラウドネス」ボタン（技術的にはラウドネス補正）が付いていることがよくあります。これらは、特に低音量レベルで、これらの周波数での見かけ上のラウドネス低下を相殺することを目的としています。これらの周波数を増幅すると、低音量でも音量が大きく聞こえる、より平坦な等ラウドネス曲線が生成され、耳が最も敏感な中周波によって音が支配されることがなくなります。

耳がさまざまな周波数をさまざまな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実施されました。最近まで、等音量曲線を指すためにフレッチャー - マンソンという用語は一般的に使用されていましたが、1956 年にロビンソンとダドソンによって再決定され、それが ISO 226 標準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、2003年のISOの調査で新しい規格で曲線が再定義されて以来、等ラウドネス曲線という用語が好まれています^{[4] 。}

人間の聴覚系は、約 20 Hzから最大約 20,000 Hz までの周波数に敏感です が、上限聴力は加齢とともに低下します。この範囲内で、人間の耳は2 ～ 5 kHzの間で最も敏感であり、これは主に外耳道の共鳴と中耳の 耳小骨の伝達関数によるものです。

フレッチャーとマンソンは、初めてヘッドホンを使用して等音量曲線を測定しました(1933)。彼らの研究では、被験者はさまざまな周波数の純音と刺激強度の 10 dB を超える増分を聞きました。それぞれの周波数と強度について、リスナーは 1000 Hz の基準音も聞きました。フレッチャーとマンソンは、リスナーがテスト音と同じ音量であると認識するまで基準音を調整しました。音量は心理的な量であるため測定が難しいため、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。最も低い等音量曲線は最も静かな可聴音、つまり聴力の絶対閾値を表します。最も高い等音量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度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矛盾を示した。^[5]

1956 年、ロビンソンとダドソンは、より正確であると信じていた新しい実験的決定を下しました。これは、世界中の研究グループによる最近の評価に基づいて ISO が標準を改訂した 2003 年まで、決定的なものと考えられていた標準 (ISO 226) の基礎となりました。

初期の測定結果と最近の測定結果の間に矛盾が認められたため、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、東北大学電気通信研究所が調整した研究の勧告に応えて行われたものです。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て、新しい曲線が作成されました (日本はデータの約 40% を占め、最大の貢献者でした)。

その結果、最近、ISO 226:2003として標準化された新しい曲線セットが承認されました。この報告書では、驚くほど大きな差について言及しており、オリジナルのフレッチャー・マンソン曲線は、ロビンソン・ダッドソン曲線よりも最近の結果とよく一致していると述べています。ロビンソン・ダッドソン曲線は、特に低周波領域で10～15dBも異なるようですが、その理由は説明されていません。^[6]

ISO報告書によると、ロビンソン・ダドソンの結果は異例で、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。報告書では、A特性標準のベースとなった40フォンのフレッチャー・マンソン曲線が現代の決定と一致したことは幸運だったと述べている。^[4]

報告書では、低周波領域で大きな違いが見られるが、その原因は未だ解明されていないと指摘している。考えられる説明としては、以下のものがある。^[4]

• 使用された機器は適切に調整されていませんでした。
• 異なる周波数における等音量を判断するために使用される基準は異なっていました。
• 被験者は数日前から適切な休息を取らず、あるいは検査に向かう移動中に大きな騒音にさらされたため、低周波の機械的結合を制御する鼓室張筋とアブミ骨筋が緊張した。

現実の音は、かなり離れた音源から平面波面として到達します。音源がリスナーの正面にある場合、両耳に届く音の強度は等しくなりますが、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し、耳介(外耳) からの反射に大きく左右されます。中心から外れた音は、一方の耳での頭部マスキングの増加と、特にもう一方の耳での耳介の効果の微妙な変化をもたらします。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 次元空間の一連の曲線で定量化されます。等ラウドネス曲線を導き出す場合、正面提示が現在好ましいと考えられており、最新の ISO 規格は特に正面および中心提示に基づいています。

通常のヘッドフォンでのリスニングには HRTF が関係しないため、ヘッドフォンを使用して導出された等ラウドネス曲線は、サイドプレゼンテーションと呼ばれる特殊なケースに対してのみ有効であり、これは通常の聞き方とは異なります。

Robinson–Dadson の測定ではスピーカーが使用され、長い間、Fletcher–Munson 曲線との違いは、後者がヘッドフォンを使用しているという理由で部分的に説明されていました。しかし、ISO レポートでは、後者が補正ヘッドフォンを使用していると実際に記載されていますが、Robinson–Dadson がどのように補正を達成したかは明確にされていません。

耳にしっかりと密着する良質のヘッドホンは、外耳道に対して低周波の圧力応答を平坦にし、高強度でも歪みが少ない。低周波では、耳は純粋に圧力に敏感で、ヘッドホンと耳の間に形成される空洞は共鳴を修正するには小さすぎる。そのため、ヘッドホンテストは、約 500 Hz 未満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、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。これは、外耳道を塞ぐと、耳内の血流の音に対する感度が高まり、通常の聴取条件では脳がその音をマスクしているように見えるという観察に基づく。^[要出典]高周波では、ヘッドホン測定の信頼性が低くなり、耳介 (外耳) と外耳道のさまざまな共鳴がヘッドホン空洞への近さによって大きく影響を受ける。

スピーカーの場合は、その逆です。平坦な低周波応答を得るのは困難です。ただし、地面からかなり離れた自由空間か、20 Hz まで反射のない非常に大きな無響室の場合は別です。最近まで、^{[いつから? ] 20 Hz までの周波数で高レベルを達成するには、高調}波歪みを生じさせる必要がありました。今日でも、最高のスピーカーでも、全高調波歪みの 1 ～ 3% 程度しか発生せず、これは基本音より 30 ～ 40 dB 低い値に相当します。等ラウドネス曲線で約 100 Hz 未満の周波数で音量が急激に上昇することを考えると、これでは十分ではありません (1 オクターブあたり 24 dB も上昇)。有能な実験者は、被験者が実際に基本音を聞き、高調波 (特に、サスペンションがコンプライアンスの限界に達してスピーカー コーンの移動が制限されるため、第 3 高調波が特に強くなる) を聞かないようにする必要があります。この問題を回避する方法としては、スピーカー セットアップで共鳴空洞などの音響フィルタリングを使用することが考えられます。一方、20 kHz までの平坦な自由音場高周波応答は、最新のオン アクシス スピーカーで比較的簡単に実現できます。等ラウドネス コンターを測定するさまざまな試みの結果を比較する際には、これらの影響を考慮する必要があります。

騒音測定に広く使用されている A 特性曲線は、40フォンのフレッチャー・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、純音を使用して等音量の決定を行うことは、騒音の知覚に直接関係がないことが実証されました。^[7]これは、内耳の蝸牛が音をスペクトル内容で分析し、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。高周波数帯域は絶対的に低周波数帯域よりも広いため、騒音源から比例して多くの電力を「収集」します。ただし、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追加して、音量の印象を生み出します。これらの理由により、騒音帯域を使用して導出された等音量曲線は、純音を使用して導出された曲線と比較して、1 kHz を超えると上向きに傾き、1 kHz 未満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のDIN 4550 規格の一部として、さまざまな加重曲線が導き出されました。これは A 加重曲線とは異なり、6 kHz 付近でピークを示すものでした。これにより、特に高周波が支配的なノイズ スペクトルを特徴とする、新しく発明されたドルビーノイズ リダクション 付きのコンパクト カセットテープ レコーダーのオーディオ機器におけるノイズの、より意味のある主観的測定が可能になりました。

BBC リサーチは、放送機器のノイズを測定する際に使用する最適な加重曲線と整流器の組み合わせを見つけるために試聴試験を実施し、トーンではなくノイズの状況でさまざまな新しい加重曲線を調べ、ノイズの主観的な音量を測定する際に A 加重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、トーンバースト、クリック、ピンクノイズ、およびその他の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。これらの音は、その短い衝撃的な性質のために、耳と脳が反応するのに十分な時間を与えません。結果は、BBC リサーチ レポート EL-17 1968/8 の「オーディオ周波数回路のノイズの評価」に報告されました。

ITU -R 468雑音加重曲線は、もともとCCIR勧告468で提案され、後に多くの標準化団体（ IEC、BSI、JIS、ITU）によって採用されましたが、この研究に基づいており、短いバーストやクリックに対する感度の低下を考慮して特別な準尖頭値検出器を組み込んでいます。 ^[8]これは、放送局やオーディオ専門家が放送経路やオーディオ機器の雑音を測定するときに広く使用されており、雑音スペクトルや特性が異なる機器タイプを主観的に比較することができます。

• ISO規格
• 2次元等ラウドネス曲線の正確かつフルレンジの決定
• フレッチャー・マンソン法はロビンソン・ダドソン法ではない (PDF)
• 等ラウドネスレベルコンターの国際規格（ISO 226）の全面改訂
• 聴力をテストする – 等音量曲線を測定するツール
• 等ラウドネスコンター測定の詳細
• ラウドネスレベルの重み付けとLLSEL JASAの評価
• 時間とともに変化する音に適用可能なラウドネスモデル AESJ 論文