双音喇叭的心理声学分析

摘要；

  • 双音色喇叭： 典型的汽车喇叭包含两个扬声器，每个在物理上只能连续发出一个固定的音高。按下喇叭按钮会触发两个扬声器同时发出各自的音高。
  • “粗糙感”的甜蜜点： 喇叭通常被调至大三度或小三度（频率比为 5:4 或 6:5）。这一音程落在临界带的特定区域，通过”粗糙感”制造紧迫感，而不会变成难以辨认的噪声。
  • 皮层偏好： 大脑的音高处理回路偏好”谐波复合音”。双音喇叭呈现出丰富的频谱结构，使皮层神经元将其识别为一个连贯的”声学对象”，而非随机的环境噪声。
  • 神经招募： 两个在频率上相隔足够远的音调会招募比同等能量的单一音调更多的听神经纤维，由于”频谱响度求和”，从而产生更高的主观响度。

“耳朵是唯一无法关闭的感官……耳朵总是处于开启状态。”
— 归因于 R. Murray Schafer (1977)

1. 工程约束：响度 vs. 法规

在理解音高的选择之前，我们必须先理解音量的上限。车辆喇叭受严格法规约束（例如 UN/ECE 第 28 号法规），其最大声压级（SPL）通常被限制在 2 米处约 105–118 dB 之间。123

鉴于设计者不能简单地无限提高分贝来吸引注意力，他们必须通过频谱操控来提高主观响度和紧迫感。这正是单音喇叭失败而双音喇叭成功的原因所在。

2. 生理学：频谱响度求和

双音喇叭的主要优势在于一种被称为频谱响度求和的现象。4

2.1 基底膜作为傅里叶分析器

内耳（耳蜗）以音调拓扑（tonotopic）的方式组织声音。高频振动耳蜗基底膜的基部；低频振动其顶端。单一音调会激活一段特定、局部的毛细胞和听神经纤维群。

听神经纤维具有有限的动态范围。随着单一音调强度的增加，被刺激纤维的放电率最终会趋于平台——这一现象称为饱和。向该单一频率继续输入更多能量，在神经输出上会出现收益递减。

2.2 逃离饱和

通过将声能分配到两个不同频率（例如 400 Hz 和 500 Hz），喇叭会激活沿基底膜分布的两组独立的神经元群。

Frequency coding in the cochlea" by OpenStax, Anatomy and Physiology, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons.

由于这两组神经元在空间上是分离的，它们不会竞争同一神经带宽。大脑会对来自这些独立通道的输入进行求和。因此，两种各为 70 dB 的音调听起来会显著比单一 73 dB 音调（物理能量之和）更响，因为神经招募更广泛且不易饱和。56

3. 心理声学中的音程：为何选择”三度”？

如果两个音比一个音更好，为什么不是任意两个音？答案在于临界带。7

3.1 临界带宽

耳朵以离散的频带分析声音。在汽车喇叭的频率范围（300–600 Hz）内，临界带宽大约为 100 Hz。

  • 如果两个音调过于接近（< 50 Hz 之差）： 它们落入同一临界带内，会相互干扰，产生缓慢的”拍频”或掩蔽效应。响度优势会丧失，因为它们在争夺同一片神经区域。
  • 如果两个音调相距过远（> 200 Hz 之差）： 它们会被听成两个互不相关的事件，可能让听者感到困惑。

3.2 Plomp–Levelt 协和度曲线

1965 年，Plomp 和 Levelt 绘制了人类基于频率间隔感知”粗糙感”（不协和度）的曲线。78

他们发现，当两个音调的间隔约为临界带宽的 25% 时，粗糙感达到最大。随着间隔接近临界带宽边界，这种感觉会从”粗糙”转变为”协和”。

汽车喇叭通常被调至小三度（6:5）或大三度（5:4），正好处于这一过渡区域。9101112 它们具有以下特征：

  1. 足够区分度，处于掩蔽阈值之外（最大化响度）。
  2. 足够粗糙，以触发”感觉性不协和”，从而引起注意并制造紧迫感。
  3. 足够谐和，使其被感知为单一机械装置的声音，而非刺耳的异常噪声。

4. 神经科学：皮层中的”声学对象”检测

超越耳朵层面，大脑存在用于识别声音中”对象”的特定回路。

听觉神经科学研究已经在听觉皮层中发现了谐波模板神经元。这些神经元被调谐为对具有基频及其整数倍谐波叠加结构的声音作出特异性反应——这正是喇叭声音的结构。131415

双音喇叭呈现出由两个谐波堆叠构成的”和弦”。这种复杂结构在环境噪声（如风噪或轮胎噪声）中更为稳健，因为即便某一频率成分被环境噪声掩蔽，大脑仍可从剩余可见谐波中重建这一”声学对象”。单一纯音则不具备这种冗余；一旦其特定频率被掩蔽，警示信号就会完全消失。

5. 总结表：单音 vs. 双音

特征单音喇叭双音喇叭（大/小三度）
神经招募局部化；易受饱和限制分布广泛；招募更宽的神经群体
响度感知相对于物理强度近似线性由于求和效应呈超线性
紧迫感依赖于纯粹的音量通过”粗糙感”（拍频）增强
抗噪能力低；易被特定噪声掩蔽高；具有冗余的谐波模板

6. 面向安全设计的结论

对于骑行者和安全工程师而言，要点在于，“响度”并非分贝计上的单一数字，而是一种神经事件。通过使用两个在频率上相隔特定音程（大约为频率的 15–20%）的音调，警示装置可以”黑入”人类听觉系统，使其在同等功率下被感知得更响、更紧迫、更”真实”，优于单一音调。16171819

参考文献

Footnotes

  1. United Nations Economic Commission for Europe. “Regulation No. 28: Audible warning devices.” Consolidated text (2010). EUR-Lex PDF. ↩

  2. American Academy of Audiology. “Levels of noise in decibels (dB).” Educational poster listing car horns ≈110 dB and common environmental sounds. PDF. ↩

  3. World Health Organization. “Deafness and hearing loss: Safe listening.” Q&A (2025). WHO safe listening. ↩

  4. Cedolin, L., & Delgutte, B. “Spatiotemporal representation of the pitch of harmonic complex tones in the auditory nerve.” Journal of Neuroscience 30(4), 12734–12744 (2010). PMC article. ↩

  5. Larsen, E., & Delgutte, B. “Pitch representations in the auditory nerve: two concurrent complex tones.” Journal of the Acoustical Society of America 123(3), 1637–1655 (2008). MIT DSpace summary. ↩

  6. Su, Y., Delgutte, B., & Colburn, H. S. “Pitch of harmonic complex tones: rate-place coding of pitch in the auditory nerve.” bioRxiv 2019. Preprint. ↩

  7. Plomp, R., & Levelt, W. J. M. “Tonal consonance and critical bandwidth.” Journal of the Acoustical Society of America 38(4), 548–560 (1965). JASA abstract. ↩ ↩2

  8. Vassilakis, P. N. “Perceptual and physical properties of amplitude fluctuation and their musical significance.” Music Perception 21(3), 313–336 (2004). (Summarized and extended in later consonance models drawing on Plomp & Levelt.) See overview in Semantic Scholar summary of Plomp–Levelt. ↩

  9. “Vehicle horn.” Wikipedia (rev. 2025). Section on horn frequencies and dual-tone designs. Vehicle horn article. ↩

  10. Lemaitre, G., Susini, P., Winsberg, S., McAdams, S., & Letinturier, B. “The sound quality of car horns: A psychoacoustical study of timbre.” Acta Acustica united with Acustica 93, 457–468 (2007). PDF. ↩

  11. Toyota / Hella. “Electric twin horn, frequency 400 Hz low tone / 500 Hz high tone.” Product listing (accessed 2025). Example product. ↩

  12. PIAA Corporation. Marketing material and independent tests describing 400/500 Hz dual-tone sports horns (2019–2024). Example comparison: BMWSportTouring horn tests. ↩

  13. Feng, L., & Wang, X. “Harmonic template neurons in primate auditory cortex underlying complex sound processing.” Proceedings of the National Academy of Sciences 114(5), E840–E848 (2017). PNAS article. ↩

  14. Fishman, Y. I., Micheyl, C., & Steinschneider, M. “Neural representation of concurrent harmonic sounds in monkey primary auditory cortex.” Journal of Neuroscience 34(37), 12425–12438 (2014). JNeurosci article. ↩

  15. Wang, X. “The harmonic organization of auditory cortex.” Frontiers in Systems Neuroscience 7, 114 (2013). PMC article. ↩

  16. Kang, H. S., Park, S. H., & Lee, K. H. “Quality index of dual shell horns of passenger cars based on a spectrum decay slope.” International Journal of Automotive Technology 16, 237–244 (2015). Springer article. ↩

  17. Mollah, A. A., et al. “Intelligent classification of automotive horn sound quality.” Transportation Research Record (2024). TRID record. ↩

  18. Kim, S. Y., et al. “Methodology for sound quality analysis of motors using psychoacoustic parameters.” Applied Sciences 12(17), 8549 (2022). PMC article. ↩

  19. Wang, Y. S., et al. “A sound quality model for objective synthesis evaluation of vehicle interior noise.” Applied Acoustics 74(10), 1141–1149 (2013). ScienceDirect. ↩

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