聴覚は、音波の機械的現象としてだけでは説明できず、知覚や認知的側面もある。人が何かを聴くとき、大気を通して音波が耳に到達し、耳の中でそれが神経の活動電位に変換される。その神経パルスは脳に到達し、知覚される。音響信号処理など音響学に関わる問題では、単に音波の物理的性質を考慮するだけでなく、耳と脳が各人の聴覚に重要な役割を果たしている点を考慮することが重要となる。例えば、耳は音を神経刺激に変換する際に周波数スペクトルへの分解を行う。この解析は蝸牛基底膜における機械的な特性によるフィルタ・バンク処理によって実施される。このフィルタ・バンクは中心周波数にほぼ比例してバンド幅が広がる、いわゆる定Q型のものであるため、その特性からこのスペクトル解析はフーリエ分析的なものではなく、ウェーブレット分析的なものとなる。そのため、時間領域の情報の一部は失われてしまう。しかし、基底膜の振動を中枢へ伝える神経パルスは基底膜が特定の方向へ変位したときに発火するという性質を持ち合わせるため、振動に含まれる時間的な情報は神経発火の時間パターンとして中枢へ伝えられていることも知られている。MP3 の圧縮方法は基底膜上に複数の振動成分が与えられた場合の相互作用、すなわちマスキングを考慮して実効的なダイナミック・レンジを狭めることによる情報圧縮を利用している。さらに、耳のダイナミック応答は対数関数的である。公衆交換電話網はこの現象を利用して、音声を対数的に圧縮し、指数的に伸張して再生している。また、耳の非線形性の副次効果として、周波数の近い音が2つあるとき、実際には存在しない低い周波数の音が聞こえてくる。このような耳の解剖学的特徴に起因する生理的現象も音響心理学的現象としてひとまとめに扱われるのが一般的である。脳によって生じる真の音響心理学的現象もある。例えば、録音された音楽にパチパチという雑音（ノイズ）があっても、人はそのようなノイズを気にせずに音楽を楽しめる。人によってはノイズを全く忘れてしまう場合もあり、後でノイズがあったかどうかを聞いても答えられないことがある。これを心理音響マスキングのレベルで説明する場合もある。この場合、ノイズの存在があってもなくても知覚的にはその違いが分からない。これとは別に、雑音の存在があってもそれが注意している音には干渉しないで聞くような場合も存在する。これは音脈分凝と呼ばれる現象であり、心理音響的マスキングとは異なるレベルでの処理が貢献している。脳がそのようなマスキングを行う能力は、様々に利用されている。ただし、デジタル信号処理では、この現象はアナログのホワイトノイズ全体をカバーするというよりも、圧縮によって失われた部分を隠すのに使われることが多い。別の心理音響現象として、脳はパターン認識のために相関的プロセスを使うと考えられており、同様な技法は電子回路で信号パターンを探すのにも使われている。相関的な一致を受け入れるしきい値が非常に低い場合、純粋なノイズや少しだけ似ているような音声からもよくあるパターンを補完して聞き取ってしまう。例えば、無線通信士がノイズの多い中でモールス符号を聞き取ろうとしていると、実際にはモールス符号がないにも拘らず、ノイズからモールス信号を聞き取ってしまう。このような心理音響現象は、例えば非常に危険な状況で知覚力を高めるのに重要な役割を果たす。これは脳が勝手に知覚を生成する幻聴とは異なる。
2つの高周波信号を混合し低周波の信号を直接得る、という受信方式のアイデアは非常に古くから知られている。カナダの発明家でラジオに関する先駆的実験を行ったことで知られているレジナルド・フェッセンデンは、送信側でわずかに周波数の異なった2つの電波を送信し、受信側ではそれらを混合して可聴音を生成する無線方式の特許を1901年にアメリカで出願した。真空管などは当時まだ発明されておらず、受信側での混合はコイルを巻きつけたコアの非線形性により行い、コアのすぐそばの振動板を直接駆動した。1913年、後にスーパーヘテロダイン方式を発明するアメリカの有名な研究者エドウィン・アームストロングは再生検波回路の特許申請を行った。この回路は検波回路を発振直前の状態にして受信感度と選択度を向上させるものだったが、その原理上回路は簡単に受信周波数で発振し、受信信号との混合により低周波のビート音が発生した。1915年、ウエスタンエレクトリックのケンドール（Burton W. Kendall）はアームストロングの再生検波回路をより洗練させるとともに、受信側の発振周波数をAM信号のキャリア周波数と正確に同じにすることで音声信号を復調する方式を考案し特許申請を行った。これは後にホモダイン（Homodyne）と呼ばれる方式である。特許には再生検波回路に高周波増幅段を付加した回路や低周波増幅段を付加した回路などと共に、現在のダイレクトコンバージョン受信機のように独立した局部発振器を設け受信信号と混合する回路も含まれている。1924年にコールブルック（F. M. Colebrook）はケンドールの特許と同様の再生検波回路と復調方式を発表し、ホモダインという名称を与えた。この方式は受信側の発振周波数とキャリア周波数がずれているとビート音が発生するが、周波数が近づくにつれてビート音の周波数が低くなり、完全に周波数が一致すると音声のみが聞こえるようになる。当時の簡単な受信回路は不安定だったためチューニングが難しく、わずかな受信状態の変化や温度変化などで発振周波数がずれて不快なビート音が発生することも多かった。コールブルックの発表の少し前、1922年にロビンソンは新しい受信方式についてイギリスで特許申請を行った。これは受信対象となるAM信号と受信信号に含まれているキャリア信号とを別々に増幅し、両者を混合することで音声信号を復号する方式だった。この方式だと発振周波数がずれてしまう問題はなくなる。しかし受信信号からキャリア信号のみを取り出すには非常に性能の良いフィルタが必要になる。広い周波数範囲でシャープな特性を持ち安定したフィルタを実現するのは技術的に難しく、当時の技術レベルでは現実的な方式とは言えなかったが、ダイレクトコンバージョン方式の一種であるシンクロダイン（Synchrodyne）と呼ばれる受信方式を開発する第一歩となった。シンクロダインとは受信信号のキャリア周波数と受信機の発振周波数とを同期させるような仕組みを持ったダイレクトコンバージョン受信機である。1928年にはアメリカの研究者ハートレー（Ralph V. Hartley）が不要なイメージ信号やサイドバンド信号を抑制するミキサ回路を考案し特許を取得した。これは現在の多くのダイレクトコンバージョン受信機で使われている直交ミキサの考え方の元となるものである。1936年にガブリロービチ（L. Gabrilovitch）はイギリスでシンクロダイン回路の特許申請を行った。これは受信信号のキャリア周波数と受信機の発振周波数とを同期させる回路をハートレーのミキサ回路に組み合わせたもので、受信したAM信号のいずれかのサイドバンドに混信があっても安定した受信ができた。また、1939年のカーティス（L. F. Curtis）による特許では、現在 PLL（Phase-Locked Loop）と呼ばれている方式でキャリア周波数と局部発振周波数とを同期させるダイレクトコンバージョン受信回路が記載されている。1947年にイギリスの研究者であるタッカー（D. G. Tucker）はこれらと類似の受信回路を考案し、シンクロダインという名称を初めて使った。タッカーらが中心となりシンクロダインについての様々な研究が行われた。